Sciences de l'IB : simulation et investigation scientifique

Parmi les grands cursus scientifiques, le Programme du diplôme de l'IB se distingue par la clarté avec laquelle il aborde la simulation. L'investigation scientifique, unique évaluation interne comptant pour 20% de la note de la matière en biologie, en chimie et en physique, autorise les élèves à fonder leur travail sur des manipulations en laboratoire, sur des bases de données, sur la modélisation ou la simulation, ou sur une combinaison de ces approches (IBO).

C'est une position sensiblement différente de celle qu'adoptent la plupart des programmes britanniques, et elle mérite d'être comprise avec précision, car les établissements dotés de laboratoires la négligent souvent, tandis que ceux qui en sont dépourvus lui font dire plus qu'elle ne dit.

Que permet exactement l'IB ?

L'investigation scientifique est une investigation individuelle unique, dotée de dix heures, rendue en 3 000 mots au maximum, notée sur 24, évaluée en interne par l'enseignant puis modérée en externe. La méthodologie relève du choix de l'élève, et les investigations fondées sur la simulation ou sur des bases de données sont évaluées selon les mêmes critères que celles menées à la paillasse.

Le mot important est mêmes. La voie de la simulation n'est pas une voie plus facile, ni une concession accordée aux établissements mal équipés. L'investigation doit toujours présenter une question de recherche précise, une méthodologie justifiée par l'élève, des données traitées correctement avec prise en compte des incertitudes, et une analyse qui affronte les limites de la démarche retenue. L'élève qui choisit la simulation hérite d'un ensemble particulier de limites à discuter, et les examinateurs voient immédiatement s'il y a réfléchi.

Où une EI fondée sur la simulation est-elle réellement supérieure ?

Plusieurs catégories d'investigations gagnent à être menées en simulation plutôt qu'à la paillasse d'un établissement, et pas pour des raisons de commodité.

Les investigations exigeant un grand nombre de mesures. Un élève qui étudie la variation de la vitesse de réaction sur une plage de concentrations, avec assez de répétitions pour obtenir des barres d'erreur significatives, se heurte à la paillasse aux limites des réactifs, du temps et de la patience. Dix heures d'accès au laboratoire produisent rarement un jeu de données comportant assez de points pour soutenir l'analyse que récompensent les critères.

Les investigations couvrant une large plage de paramètres. Les investigations de physique souffrent particulièrement d'un matériel qui fonctionne bien sur une décade de la variable et mal au-delà. La simulation permet d'explorer où une relation tient et où elle cesse de tenir, ce qui constitue une investigation nettement plus intéressante que la confirmation d'une loi dans le domaine où elle allait de toute façon se vérifier.

Les investigations dangereuses, lentes ou nécessitant des substances réglementées. Un établissement ne peut confier à un élève de seize ans les réactifs ni les échelles de temps qu'exigent certaines questions réellement intéressantes. La simulation lève la contrainte sans supprimer la science.

Les investigations dont la variable étudiée est la méthode elle-même. Comparer des techniques, ou quantifier la propagation d'une erreur de procédure jusqu'au résultat, est difficile à la paillasse, car il faut commettre l'erreur délibérément et de façon reproductible. Dans une simulation pilotée par un moteur physique, c'est immédiat, et cela produit exactement le type de réflexion méthodologique que réclament les bandes de notation supérieures.

Où la simulation reste-t-elle insuffisante ?

Sur deux points, que les établissements ont tout intérêt à regarder en face.

Le premier est l'habileté manuelle. Le cours de sciences de l'IB attend dans son ensemble que les élèves développent une technique expérimentale, et le diplôme prépare à des études scientifiques supérieures où cette technique est tenue pour acquise. L'EI n'est qu'un travail parmi d'autres dans un cursus de deux ans : un élève peut produire une excellente investigation fondée sur la simulation tout en ayant besoin d'heures de paillasse réelles sur le reste du programme. Recourir à la simulation pour l'EI est un choix méthodologique légitime, non une raison d'arrêter les travaux pratiques.

Le second est la qualité de la simulation elle-même. Une investigation bâtie sur une plateforme qui déroule des animations scénarisées se heurte à un obstacle rédhibitoire au moment de l'analyse : il n'y a rien d'authentique à analyser. Si le résultat a été écrit à l'avance plutôt que calculé, il n'y a aucune incertitude de mesure à caractériser, aucune erreur systématique à identifier, aucun plancher de bruit, et aucune discussion honnête possible des limites du modèle. On ne peut interroger qu'une simulation qui simule effectivement quelque chose.

Voici le test pratique à appliquer avant de laisser une classe fonder ses EI sur une plateforme quelconque : la simulation produit-elle des données présentant une variabilité réaliste, et l'élève peut-il expliquer d'où vient cette variabilité ? Si chaque exécution renvoie le même chiffre parfaitement net, elle ne convient pas, quelles que soient ses autres qualités.

Et la composante collaborative ?

Le cours de sciences de l'IB comprend un projet collaboratif commun aux matières scientifiques, construit autour d'un problème partagé abordé sous différents angles disciplinaires. Pour les établissements dont les élèves sont dispersés géographiquement, écoles internationales à campus multiples ou établissements en ligne, c'est la partie de l'expérience du groupe 4 la plus difficile à organiser, puisque tout l'intérêt réside dans le travail mené ensemble.

Un environnement simulé partagé répond bien à ce besoin, puisque des élèves situés dans des pays différents peuvent travailler sur le même appareillage, sur le même problème, avec le même matériel accessible à tous, ce qu'aucun ensemble dispersé de laboratoires physiques ne peut offrir.

Comment un établissement IB devrait-il s'en servir ?

Notre recommandation, avec la réserve qui s'impose venant d'un éditeur ayant un intérêt évident :

Ne présentez pas la simulation aux élèves comme la solution de facilité. Elle a ses propres exigences, et ceux qui la choisissent en espérant moins travailler rendent de mauvaises EI.
Servez-vous-en pour élargir le champ des questions. Le meilleur argument en faveur de la simulation dans l'EI est qu'elle rend viables des questions de recherche réellement plus intéressantes, non qu'elle fait économiser de l'argent à l'établissement.
Enseignez explicitement les limites. L'élève capable de formuler ce que son modèle ne capture pas démontre précisément la compréhension que récompensent les critères.
Gardez la paillasse. Là où vous disposez de laboratoires, utilisez la simulation pour y préparer les élèves plutôt que pour les remplacer. Le modèle des travaux pratiques inversés vaut pour l'IB comme pour tout le reste.

La place de WhimsyLabs

WhimsyLabs repose sur un moteur physique, et c'est la propriété décisive pour l'EI. Les réactifs présentent des concentrations et des impuretés réalistes, les mesures comportent une incertitude véritable et les résultats sont calculés plutôt qu'écrits à l'avance : l'élève qui étudie une relation obtient une dispersion dont il doit rendre compte, et celui qui introduit une erreur de procédure la voit se propager. L'élève de l'IB dispose ainsi de quelque chose à analyser et de quelque chose d'honnête à écrire dans son évaluation.

La plateforme fonctionne également dans un navigateur sur du matériel ordinaire, ce qui compte pour les cohortes IB internationales et en ligne, réparties sur plusieurs fuseaux horaires et travaillant sur leurs propres appareils. Et comme notre évaluation porte sur ce que l'élève a fait plutôt que sur ce qu'il a écrit, l'enseignant qui modère un ensemble d'investigations dispose d'une trace du processus réel qui sous-tend chacune d'elles.

L'IB a porté un jugement réfléchi : une investigation bien construite fondée sur la simulation peut démontrer une pensée scientifique aussi bien qu'une investigation menée à la paillasse. Il vaut la peine de saisir cette possibilité, avec méthode, et avec une plateforme capable d'en supporter le poids.