Le programme actuel de seconde des lycées français comporte une partie traitant des "Sons et vibrations". Un des objectifs principaux de cet enseignement est de lier tout son perçu à une vibration d'une surface matérielle. L'élève doit ainsi être capable de différencier les caractères perceptifs hauteur et intensité sonore, ainsi que les grandeurs vibratoires liées, respectivement fréquence et amplitude. Un second point capital pour la compréhension des phénomènes sonores s'attache ensuite à définir et illustrer le mécanisme de propagation de l'onde sonore via son interprétation microscopique.
Signalons ici que les hypothèses de travail, ainsi que les besoins auxquels simulaSON essaie de répondre sont issus d'un travail collectif avec des enseignants de sciences physiques. Les documents (y compris séquences de TP) produits par ce groupe de recherche-développement de l'académie de Lyon (groupe SOC) sont disponibles ici.
1. Vibration et description élémentaire
des sons
Le problème de la description et de la classification des
sons n'est pas neuf puisque pour en rationaliser la création
des sons, on a d'abord dû les analyser. Pour caractériser
le plus objectivement possible l'effet, il a fallu caractériser
la cause. On touche là à la connaissance fondamentale
associant la cause de tout son à une vibration matérielle.
Dans la plupart des cas (c'est une des restrictions en seconde),
"l'émetteur est une surface vibrante" (B.O.)
qui fait ensuite vibrer le milieu matériel situé
dans son voisinage (on laissera donc de côté les
rares situations où le milieu est mis en vibration par
d'autres phénomènes).
Dans ces conditions, qu'est-ce qui, dans la vibration, gouverne
nos sensations auditives?
Si le débat n'est pas encore clos aujourd'hui (en particulier au sujet de la notion de timbre), deux caractéristiques sont aujourd'hui systématiquement utilisées pour décrire les sont perçus : la hauteur et l'intensité. On ne discutera pas ici des nuances entre tonie et hauteur, entre sonie et intensité. On chosit ici d'adopter, comme en 2nde, la modélisation qui consiste à présenter la hauteur d'un son (son caractère aigu/grave si on utilise des termes du vocabulaire communs à tous) comme dépendant essentiellement de la fréquence de la vibration, et l'intensité d'un son (son caractère fort/faible) comme dépendant essentiellement de l'amplitude de la vibration. La pertinence et l'utilité de ces grandeurs provient du fait que tous les sons pourront être décrits, par des combinaisons et des variations plus ou moins complexes par ces grandeurs. Seulement, ces grandeurs physiques sont à définir précisément car ces mêmes mots ont un sens beaucoup moins précis dans le langage courant et la plupart des élèves de secondes ne les ont rencontrés que dans la vie quotidienne.
Et quand bien même ces grandeurs seront définies, il restera que nous n'aurons pas la possibilité de voir facilement (i.e. sans instrument de mesure) ce que sont la fréquence et l'amplitude d'un émetteur sonore (puisque les sons audibles par les meilleures oreilles ont des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz et que la vision humaine ne permet pas de suivre en détail des phénomènes périodiques trop rapides, disons d'une fréquence de l'ordre de 10 Hz).
Le novice dispose de ses sens pour apprendre ce qu'est un son, pour comprendre comment cette sensation devenant objet physique se comporte, comment il est créé ou capté. L'ouïe, bien évidemment, va jouer un rôle indispensable. Mais elle est insuffisante pour expliquer et interpréter les phénomènes mis en jeu. Un des problèmes majeurs, parce que nécessaire, est alors de "rendre le son visible" (sans oublier quand c'est possible de rendre le son "touchable"). Tout professeur de seconde s'est déjà surpris à dire, en montrant sur un oscilloscope la tension aux bornes d'un micro, qu'on "voit le son" ! Pour "rendre le son visible", on a donc coutume d'utiliser des schémas ou des courbes, souvent sans entendre les sons correspondant. Quand, malgré tout, on essaie d'entendre et de voir en même temps, on a alors recours à des montages ou des instruments qui ne facilitent pas la compréhension des phénomènes puisqu'ils sont eux-même complexes : c'est le cas lorsqu'on branche un micro à un oscillo...
Ces connaissances, ces liens entre objets du monde perceptifs et objets (conceptuels) de la physique, pour évidents qu'ils puissent paraître au physicien, sont à construire pour l'élève. Les investigations que nous avons pu mener à ce sujet montrent que ces liens ne sont évidents ni à construire ni à utiliser pour décrire et/ou prédire.
Le premier objectif de SimulaSON est donc de fournir une représentation animée de la vibration permettant de :
Nous avons fait le choix dans simulaSON de fournir des représentations visuelles des modèles du son qui apparaissent explicitement avec un tel statut et qui sont séparées chaque fois que le type de représentation diffère. Ces différentes façons (visuelles) de présenter l'information seront clairement distinguées de la perception sonore éventuellement simultanée.
2. Interprétation microscopique de la propagation
a) Outils classiques de description
Lorsque ce travail sur le phénomène cause est
effectué, il convient alors de se demander comment un objet
(tel que l'oreille ou le micro) situé hors de la source
peut percevoir les caractéristiques de la vibration. Avant
même d'aborder les aspects techniques de fonctionnement
des récepteurs, ce qui peut paraître le plus surprenant
(et le plus mystérieux), c'est qu'un changement de la vibration
peut être détecté ailleurs.
Il semble en effet extrêmement difficile, pour le novice,
de comprendre comment un son (messager de l'information contenue
dans la vibration cause) peut se déplacer dans un milieu
qui, de façon prototypique, est l'air. On pourrait se contenter,
comme y invite le programme de 2nde, de répéter
que le phénomène de propagation est caractéristique
de toute onde et se particularise par une transmission d'une information
quelconque de proche en proche et sans déplacement
de matière.
Cependant, une fois ceci énoncé, il reste bien évidemment à comprendre ce que cela signifie. On peut s'efforcer, à renfort d'exemples (ressort, échelles de perroquet...), d'illustrer le phénomène de propagation dans des cas macroscopiques et concrets. Comme c'est quasiment toujours le cas, ces analogies, pour illustratives qu'elles paraissent, ne font qu'amener de nouveaux problèmes : quel coût pour passer de l'exemple fourni à la propagation du son, et à quel prix? Elles risquent fort, en tous les cas d'être insuffisantes pour déstabiliser les conceptions relativement stables que peuvent avoir les élèves sur la propagation du son. On ne rentrera pas ici davantage dans les difficultés qu'induisent ces illustrations.
La situation (non exclusive des analogies et largement répandue en seconde) qui consiste à observer à l'oscilloscope l'évolution temporelle des tensions délivrées par deux micros détectant le même son à des distances différentes ne semble pas faciliter la compréhension du phénomène de propagation. Si elle présente bien évidemment un intérêt didactique non discutable, en particulier pour définir autrement que par une simple formule vidée de sens la notion de longueur d'onde, cette expérience très instrumentalisée n'éclaire pas forcément sur le mécanisme de propagation du son. Elle peut pourtant sembler remarquable au physicien qui maîtrise le fonctionnement de l'oscillo, et qui est familier des distinctions entre évolution temporelle et évolution temporelle.
b) Un modèle particulaire pour comprendre ce qui se propage et ce qu'on mesure
Traditionnellement, pour observer "ce qu'il se passe", l’élève est invité à utiliser un haut-parleur, un micro, un oscillo…, instruments participant eux-mêmes d'une modélisation. . Ces instruments sont alors présentés comme le moyen d'avoir une représentation à chaque instant du modèle microscopique éventuellement proposé. Ce lien non évident entre "ce que je vois à l'oscillo" et "ce qu'il se passe au niveau microscopique en terme de compression et de dilatation" demande énormément de temps pour être construit et reste extrêmement compliqué sans représentation externe de ce qui se passe au niveau microscopique.
Nous faisons pour notre part l'hypothèse qu'un modèle particulaire peut être présenté comme tel et permettre d'interpréter et prédire des événements liés au son. Ce modèle doit servir à éclairer et interpréter ce que l'élève observe avec de "vrais" instruments (haut-parleur, micro, oscillo...). La représentation particulaire utilisée dans simulaSON est une représentation simplifiée des compressions et dilatations de l'air siège d'une onde sonore, s'inspirant du modèle particulaire choisi (en particulier utilisation d'une densité variable de points).
c) Un modèle particulaire pour séparer ce qu'il se passe dans le temps de ce qu'il se passe dans l'espace
La rapidité des phénomènes vibratoires acoustiques ajoute à la difficulté d'exploitation des mesures, même si le fonctionnement des instruments est globalement bien appréhendé. Comment en effet passer de représentations figées d'états du milieu, par exemple, à des observations qui résulte d'une alternance et d'une propagation très rapide de ses mêmes états. Comment éviter de faire penser à l'élève que ce qu'il voit à l'oscilloscope sont les images des compressions et des dilatations de l'air puisque lorsqu'il recule un micro, la courbe correspondante se déplace par rapport à celle du micro fixe ? Le coût cognitif pour passer du décalage spatiale des micros au décalage temporel des courbes observées paraît très élevé.
Autrement dit, si la pertinence d'une grandeur comme la longueur
d'onde pour décrire la propagation du son et l'état
de l'air dans l'espace semble évidente pour le physicien,
la relation qu'elle peut entretenir avec période et vitesse
du son est une difficulté que la présente simulation
souhaiterait rendre moins importante. Ainsi, ces trois grandeurs
période, vitesse et longueur d'onde sont présentées
et articulées ensemble en utilisant la représentation
particulaire, animée et ralentie, application du modèle.
Pour assurer un rôle le plus complet possible au modèle,
on a introduit dans la simulation des représentant simulés
des objets réels de l'expérience de mesure classique
(2 micros et oscillo).
L'utilisation de simulaSON est accompagnée d'un texte exposant
le modèle utilisé.
Quelques hypothèses préalables au développement de simulaSON ont déjà été évoquées (en particulier sur les représentations externes). Nous revenons ici plus précisément sur la réflexion au sujet de l'organisation des concepts de la physique pour le sujet qui nous intéresse, et en particulier sur les relations qu'ils peuvent entretenir avec les objets du monde réel et les "objets" du monde simulé. Puis nous détaillerons les hypothèses que nous avons adoptées au sujet des représentations sémiotiques pour présenter l'information.
a) Liens entre concepts et objets
Il est aujourd'hui largement admis que les sciences physiques ont pour objectif central de décrire et comprendre précisément le monde qui nous entoure. Pour ceci, la physique a parfois recours, en plus des situations quotidiennes, à un champ expérimental qui lui est propre (montages, appareils de mesure, objets de la vie quotidienne éventuellement). La physique doit alors fournir des outils d'interprétation ou de prédiction de ces observables : ce sont les théories et les modèles qui doivent être enseignés.
Nous estimons que l'articulation entre ce qui relève du champ expérimental et ce qui relève de la théorie/modèle favorise l'apprentissage. Pour que cette articulation ait lieu (par mise en relation dans les deux sens, par appariement entre concepts physiques et représentant dans le champ expérimental), les deux mondes "théories / modèle" et "objets et événement" doivent être clairement distingués.
De plus, le savoir mis en jeu dans la théorie / modèle doit être explicitement fourni à l'élève. Il doit pouvoir s'en servir pour décrire et interpréter des situations du champ expérimental. Il doit éventuellement pouvoir l'enrichir au fur et à mesure de son apprentissage.Nous considérons que l'activité de modélisation menée par l'élève doit mettre en jeu, pour être efficace:
Dans une approche constructiviste, nous considérons que l'élève va apprendre à partir de ce qu'il sait déjà, de ce qu'il a déjà pu observer. En ce sens, l'apprentissage pourra consister parfois à passer de "concepts quotidiens" à des concepts scientifiques. Ainsi, le terme de vibration est connu par la plupart des élèves de seconde. Il recouvre des caractéristiques plus ou moins précises, mais qui ne correspondent pas a priori aux facettes scientifiques attachées au concept "vibration" utilisé par la physique (fréquence et amplitude en particulier). Mais l'enseignement peut s'appuyer sur la connaissance quotidienne (celle qui associe par exemple vibration et aller-retour) pour construire un sens au concept scientifique. La situation est pour cet exemple relativement favorable car il existe un domaine de recouvrement entre le point de vue quotidien et le point de vue scientifique. Ceci pause davantage de problème lorsqu'il faut aller contre le concept quotidien ou lorsque celui-ci est relativement éloigné du concept scientifique (pensons à l'expression "ça résonne" pour le novice et pour le physicien).
Essayons alors d'expliquer en quoi simulaSON peut aider à la modélisation et à la compréhension des concepts. Pour ceci utilisons un exemple.
Une des premiers objectifs de l'enseignement au sujet du son est d'associer tout son au phénomène de vibration. On peut pour ceci fournir à l'élève une série d'émetteurs sonores qu'il peut manipuler, toucher. On demande ce qui est commun à tous ces événements. On force ainsi à passer d'une série de perceptions à un phénomène, la vibration, via l'ensemble des événements "mouvement d'aller-retour" qui ont été associés aux sons. Le concept de vibration devient explicite s'il est associé à deux classes d'événements nécessaire : (1) mouvement d'aller-retour et (2) émission d'un son.
L'étape suivante consiste à relier la perception aigu / grave à la fréquence et la perception fort / faible à l'amplitude. Pour les raisons invoqués plus haut il devient ici difficile de recourir à des objets matériels dont le comportement peut directement être observé pour construire ces relations. Nous proposons donc de recourir à des objets simulés qui vont permettre de donner une représentation des concepts en jeu (via leur modification). Ces objets ne sont ni des objets réels, ni des éléments du monde le la théorie/modèle à proprement parlé. Ils servent d'intermédiaires, en facilitant le passage, par l'activité de résolution de problème, entre le monde des objets/événements et le monde des modèles.
On pourrait ainsi multiplier les exemples, au sujet de différents concepts et différentes tâches. L'esprit dans lequel est développé le modèle microscopique dans simulaSON est identique.
b) Représentation des objets et présentation de l'information
Il est bien évident que de telles manipulations de concepts, de tels appariements nécessitent la désignation (et par seulement grâce au langage naturel) des objets et des concepts. Se pose alors la question de la représentation des concepts en jeu. Si la représentation figurale ou schématique peut désigner des objets impliqués dans une expérience, le problème est plus délicat lorsqu'il s'agit de donner du sens à des concepts ou phénomènes via des représentations qu'on appellera externes (par opposition aux représentations dites mentales). Si, comme Duval, "on définit généralement la représentation de la même manière que l'on définit le signe linguistique, c'est-à-dire comme une relation entre quelque chose (forme, trace, objet...) visuellement ou auditivement appréhendé et l'évocation d'autre chose qui est absent ou dont la représentation est simplement "mentale"", alors on inclut dans les représentations les sons perçus car on peut les mettre en relation avec d'autres représentations.
Dans le choix de présentation de l'information, il y a alors des choix à effectuer. Pour ceci nous formulons quelques hypothèses aux sujet des représentations :
Ainsi, il ne faudra pas s'étonner de voir dans simulaSON des représentations qui seront volontairement bien séparées (disposition sur l'écran, couleur liée à chaque représentation...). Quand cela est possible, la modification d'une représentation (ce sera souvent le graphe dans notre cas) entraîne des modifications pour les autres. Certaines tâches pourront avoir pour objectifs d'assurer la compréhension des liens entre deux représentations données.
Chaque représentation (sauf le graphe) est appelée par un bouton. Pour limiter l'influence se type de représentations supplémentaires, ces boutons ne sont pas iconiques mais décrivent l'action effectuée si on clique dessus. On peut tenter ici de décrire les représentations ainsi que les unités signifiantes impliquées :
| représentation | unités signifiantes représentées | actions possibles |
| graphique | fréquence (abscisse) ; amplitude (ordonnées) | modifiable |
| numérique | fréquence (en Hz) + période (en s) ; amplitude (en cm) | aucune |
| sonore | perception auditive (aigu/grave ; fort/faible) | aucune |
| figurale / vibration |
|
arrêt |
| figurale / microscopique |
|
arrêt... |
| figurale / oscillo |
|
aucune |
SimulaSON est une projection (d'où l'icône) Macromedia
Director. C'est une application programmée en langage Lingo.
Il suffit de lancer cette application en double-cliquant sur l'icône
intitulée simulaSON (ou simulaS).
L'utilisation est simple et n'utilise que la souris (pas d'utilisation
du clavier). Cette application peut être lue sur n'importe
quel PC (à partir de 486) dans l'environnement Windows,
mais il est préférable d'utiliser un processeur
de performance au moins égale à 166 MHz. L'intervalle
des fréquences de vibration observable à l'écran
dépend du processeur. Plus il est performant plus cet intervalle
est décalé vers le haut. On donne à titre
indicatif les fréquences maxi pour quelques exemples :
L'animation peut être lue sur un écran configuré en 800 X 600 ; elle sera alors vue en plein écran. Dans ces conditions, et dans l'état actuel du développement, l'unité de longueur (le cm) ne sera probablement pas respectée. Il est donc conseillé d'avoir un écran configuré en 1024 X 768. L'unité de longueur est respectée, plus ou moins précisément, pour des écrans de l'ordre de 15 pouces.
2. Organigramme des représentations
SimulaSON fournit différentes représentations de sons purs pour lesquels fréquence et amplitude peuvent changer. L'utilisation consiste alors à faire des liens (et à en avoir conscience) entre ces différentes représentations. La seule représentation permanente est un graphe représentant la fréquence en abscisse et l'amplitude en ordonnée (ce choix peut paraître arbitraire mais permet d'être en accord avec la représentation conventionnelle d'un spectre). Les grandeurs variables fréquence et amplitude peuvent être modifiées seulement à partir de cette "fenêtre" qui est donc la "console de contrôle" des paramètres. Autour de ce graphe sont présents différents boutons sur lesquels on peut cliquer. L'action effectuée par le clic est indiquée en toute lettre sur le bouton, ceci est général pour toute l'application. On trouvera ainsi autour du graphe les boutons suivants :
Les couleurs de ces boutons sont les couleurs de fonds des représentations ou des informations correspondantes. Les trois premières représentations concernent la vibration observable ainsi que le modèle microscopique. Le bouton "écouter" permet bien sûr d'écouter le son correspondant (avec changement d'échelle). De plus, la fenêtre "oscillo" peut être ouverte lorsque la représentation microscopique est à l'écran. Ainsi, les liens explicites entre les différentes représentations peuvent être schématisés à l'aide de l'organigramme suivant :
SimulaSON peut être utilisé par les élèves de façon autonome pour la résolution de tâches bien précises. Il paraît indispensable que l'élève soit maître des actions qu'il a envie de mener. Cette utilisation se fera donc de préférence en classe. SimulaSON peut aussi être ponctuellement utilisé par le professeur, au fur et à mesure de sa progression avec les élèves pour illustrer un point précis. Il est bien entendu évident que simulaSON ne remplace pas les expériences que le professeur peut avoir envie de proposer. Il ne vient pas à la place de mais à côté de, comme outil de modélisation des situations réelles rencontrées.
Actuellement, et dans le cas d'une utilisation libre, toutes les représentations peuvent être présentes simultanément. Cependant, une des problématiques des recherches menées sur simulaSON concerne l'utilisation de représentations multiples. Certaines hypothèses de recherche nous font penser que la signification de chaque représentation ne peut être construite que par mise en relation (et "traduction") avec une autre représentation, qu'elle soit figurale ou langagière. On envisage donc, par la suite, d'interdire l'ouverture simultanée de trop de représentations, afin de contraindre le travail sur une nombre limité de représentations choisies par l'élève (obligation de fermer une fenêtre pour en ouvrir une nouvelle).
Ce que l'élève peut faire avec simulaSON est détaillé ci-après, pour chaque représentation.
Cliquez sur la zone sur laquelle vous voulez avoir des explications.