Università telematica internazionale UNINETTUNO

UbivisLabs

Programme global:
Programme spécifique:
Appel:
Numéro projet:
Durée: 121 Mois (01/09/2012 - 31/08/2022)
Superviseur:
UNINETTUNO Scientific Leader: Livio Conti
UNINETTUNO Project Manager: Livio Conti
Site web:


Introduction

Dans l'enseignement des disciplines techniques et scientifiques, la pratique expérimentale en laboratoire est un outil précieux. Malheureusement, les budgets réduits et le manque de ressources instrumentales et humaines limitent souvent les activités expérimentales en laboratoire dans de nombreuses classes de tous niveaux, de l'école primaire et secondaire à l'université. L'Internet a stimulé le développement de certains réseaux de laboratoires à distance qui partagent les instruments disponibles auprès des participants. Cependant, ces réseaux peuvent avoir des problèmes de connexion, nécessiter une assistance humaine et offrir un nombre limité d'activités expérientielles.

Dans ce cadre, nous testons une solution complémentaire consistant en des laboratoires distribués à faible coût basés sur des terminaux mobiles. Les smartphones, tablettes, etc., comprennent certains senseurs physiques utilisés pour des fonctionnalités spécifiques au terminal, telles que la rotation de l'écran, l'orientation de l'appareil, la géolocalisation, etc. Dans ce cadre, nous avons développé un laboratoire pour plateformes mobiles qui permet d'avoir un véritable laboratoire portable.
Notre logiciel acquiert des mesures de quantités physiques à l'aide de senseurs - nativement installés dans chaque terminal mobile - exactement comme les instruments des laboratoires traditionnels. En outre, le logiciel développé permet l'analyse statistique en ligne des données acquises et la connexion interactive avec d'autres appareils à distance pour partager les données et les résultats entre les utilisateurs distants.
Le laboratoire mobile a été spécialement conçu pour l'enseignement dans les cours scientifiques en ligne, mais il peut également être utilisé dans l'enseignement traditionnel ainsi que dans l'auto-apprentissage. Le projet a été développé par une communauté d'étudiants universitaires, avec une approche open source qui maximise le développement ultérieur.


Synthèse

Les activités de laboratoire sont extrêmement importantes dans les processus d'apprentissage, en particulier dans les domaines des STEM, car elles permettent de consolider les connaissances théoriquement acquises et les étudiants peuvent vérifier directement - et de manière autonome - les lois étudiées et les règles apprises.
Les activités expérimentales au sein des processus d'apprentissage permettent le raisonnement cognitif (par le biais de processus mentaux symboliques-constructifs et moteur-perceptif) et favorisent l'acquisition de connaissances, car le niveau moteur-perceptif permet un apprentissage plus rapide et sans effort qui va au-delà des différences d'âge, de culture et d'origine des utilisateurs. Mais, souvent, les laboratoires d'enseignement, ainsi que les activités de soutien informatique en classe, ne sont pas couronnés de succès parce que les laboratoires ne sont pas disponibles partout, doivent être réservés à l'avance, ne sont pas prêts pour une utilisation correcte et immédiate, ne comprennent pas tous les outils nécessaires, etc. En outre, les équipements et infrastructures essentiels font souvent défaut, ainsi que les techniciens nécessaires pour organiser les laboratoires, gérer les instruments et réaliser les expériences. Dans nombre de ces cas, l'utilisation de laboratoires éducatifs virtuels, distants et répartis peut aider à surmonter les difficultés et à réaliser facilement de brillantes expériences. De nombreuses applications des laboratoires virtuels et à distance (allant des laboratoires réels contrôlés à distance aux vidéo-simulations et à la RVI (réalité virtuelle immersive)) sont déjà disponibles dans les domaines artistiques, médicaux et scientifico-techniques.
Récemment, l'utilisation de nouvelles technologies de pointe dans les laboratoires d'enseignement encourage le développement de nouveaux modèles d'apprentissage.

Grâce à la large disponibilité de terminaux mobiles à faible coût (tels que les ordinateurs individuels, les smartphones, les tablettes, etc.) et à l'accès à Internet, il est possible de mener des activités expérimentales sophistiquées à des fins éducatives non seulement dans les laboratoires spécialisés traditionnels et dans les laboratoires à distance (par le biais d'une connexion Internet), mais aussi à la maison et partout ailleurs. Cette possibilité ouvre des perspectives inexplorées et à fort impact, tant pour les étudiants (y compris les étudiants handicapés à domicile) que pour les enseignants (tant dans l'enseignement traditionnel que dans l'enseignement à distance).

Dans cette perspective, le scepticisme entourant l'utilisation des smartphones dans l'enseignement peut être surmonté par l'enthousiasme des étudiants et des élèves et l'amélioration de leurs résultats d'apprentissage. Le document présentera l'infrastructure de laboratoire que nous avons développée sur la base de plateformes mobiles telles que les smartphones, les tablettes, les tablettes, etc. pour permettre aux expériences éducatives de se dérouler également à la maison.
Nos laboratoires ont été conçus selon une approche d'"apprentissage adaptatif" (Kravcik, 2006 ; Bower, 2013) centrée sur le concept d'enseignement en laboratoire virtuel (Alexiuo et al., 2005). L'interactivité dans les laboratoires (Garito, 2015 ; Dalgarno et al., 2009) joue un rôle important dans la conception des environnements d'apprentissage (Jacobson et Reimann, 2010 ; Trentin, 2015) et est essentielle pour l'évaluation de l'efficacité des stratégies d'enseignement. Les laboratoires développés s'adressent aux étudiants en STEM qui vont vivre un processus d'apprentissage non conventionnel et stimulant visant à accroître leur autonomie et à les familiariser avec les observations expérimentales et les outils de mesure de base. Nos laboratoires mobiles sont à la disposition des étudiants sans contrainte de temps d'accès, ne nécessitent pas de surveillance humaine et sont à l'abri des risques importants de dommages matériels. Toutes ces caractéristiques permettent de répéter et d'approfondir les activités expérimentales autant que les utilisations le nécessitent, ce qui augmente le taux d'utilisation des laboratoires et l'efficacité de l'expérience des utilisateurs.
L'approche des laboratoires mobiles est basée à la fois sur la méthode de l'"apprentissage par la pratique" (Kass, 1994) et sur l'approche de l'"apprentissage par l'enquête" (Fisher et al., 2007 ; Tóth, 2012)

Les étudiants participent activement à l'application pratique des théories étudiées précédemment, en évitant le problème des informations non utilisées et en favorisant l'intégration des questions théoriques et pratiques dans leurs connaissances. La possibilité de traiter les erreurs dans un environnement sans risque est essentielle, tout comme la possibilité de consolider leurs connaissances. En outre, le projet de laboratoire mobile vise à tester l'efficacité des laboratoires mobiles dans des populations hétérogènes d'étudiants. Ces études peuvent être réalisées grâce à la possibilité (caractéristique des utilisateurs de nos laboratoires mobiles) d'impliquer de grands échantillons d'étudiants, appartenant à différentes zones culturelles, linguistiques et sociales.


Description

Des laboratoires éducatifs développés sur les smartphones sont mis à la disposition des étudiants des cours STEM et couvrent les domaines suivants : physique, chimie, informatique, physique des particules élémentaires, télécommunications, astronomie, électronique, etc. Les activités expérimentales qui peuvent être réalisées vont des mesures complètes supervisées par des enseignants/tuteurs aux activités à domicile (HomeLabs). Le laboratoire est conçu pour utiliser soit des applications déjà disponibles sur le marché (souvent gratuites), soit une nouvelle application développée spécifiquement pour les besoins de notre laboratoire. La construction des laboratoires a comporté les phases suivantes:

  • l'adaptation et la contextualisation de certaines activités de laboratoire déjà construites aux besoins didactiques et expérimentaux des laboratoires mobiles
  • le développement de nouvelles expériences de laboratoire utiles pour compléter l'ensemble des ressources disponibles pour le projet de laboratoires mobiles ;
  • l'élaboration d'un ensemble d'expériences de laboratoire à réaliser chez soi.

Pour nos laboratoires sur les smartphones, nous avons développé à partir de zéro une nouvelle application dédiée qui comprend plusieurs fonctionnalités telles que :

  • Mesures de quantités physiques uniques ;
  • Mesures de plusieurs grandeurs physiques avec enregistrement vidéo ;
  • Connexion d'un smartphone à d'autres appareils mobiles lors d'activités de laboratoire pour partager la surveillance, les données et le contrôle à distance des senseurs ;
  • Outils de traitement des données, de partage des données, etc.
  • Fournir des informations et des instructions sur l'ensemble des activités de laboratoire qui peuvent être effectuées avec les capteurs disponibles sur chaque smartphone ;
  • Fournir des questionnaires aux utilisateurs pour tester leurs connaissances sur les activités réalisées ;

Pour chaque paramètre pouvant être mesuré, l'application développée permet :

  • Tracez (en ligne et hors ligne) les données acquises en fonction du temps ;
  • Effectuer une analyse spectrale en ligne en amplitude et en phase ;
  • Etablir les paramètres d'acquisition et le paramètre de représentation graphique ;
  • Stocker les données acquises.

Aucune des applications disponibles sur le marché n'inclut toutes les fonctionnalités de l'application développée pour notre laboratoire. Grâce à notre application, les utilisateurs peuvent effectuer de nombreuses tâches de base et avancées telles que : l'acquisition de données avec les senseurs intégrés dans le smartphone ; le traitement des données ; la sauvegarde des données ; le partage de l'écran du smartphone pendant l'acquisition de données ; le partage des fichiers stockés ; l'envoi de données et de graphiques à l'enseignant ; etc. L'acquisition de données peut être effectuée en définissant les paramètres variables de l'application et/ou les caractéristiques des senseurs MEMS disponibles sur le smartphone tels que : taux d'échantillonnage, précision, fenêtre temporelle, etc. En particulier, les paramètres physiques qui peuvent être mesurés sont : l'accélération sur 3 axes, l'accélération angulaire sur 3 axes, le champ magnétique sur 3 axes, l'intensité lumineuse, la différence de potentiel, la résistance, etc. En outre, le smartphone peut être utilisé comme générateur de signaux numériques, multimètre, alimentation électrique, etc.
Dans certains cas, comme pour le luxmètre, l'application développée comprend une procédure de calibrage qui permet de calibrer les observations faites par un seul smartphone sur la base d'autres mesures effectuées par un autre appareil (comme un autre smartphone ou un luxmètre professionnel). L'interface utilisateur de l'application développée présente les mêmes boutons, glissières et boutons sur l'écran du smartphone que les instruments traditionnels, ce qui permet à l'utilisateur d'effectuer la tâche de mesure comme dans un laboratoire traditionnel avec des instruments standard. Cela peut être d'une grande aide, même pour les étudiants à mobilité réduite.

Pour faire fonctionner l'application, aucune connaissance spécifique en programmation ou en acquisition de données n'est requise. D'autre part, le code source du laboratoire constitue lui-même un laboratoire d'informatique et de programmation. En fait, le projet est basé sur une approche open-source, ce qui signifie que les utilisateurs peuvent personnaliser le code source pour améliorer les performances et adapter le noyau et l'interface utilisateur à leurs besoins. En fait, le code source qui est mis gratuitement à la disposition des étudiants est un environnement de base pour faire des tests et des exercices de programmation. Cette approche open source permet de développer et d'améliorer le laboratoire. Par exemple, de nombreuses extensions sont possibles pour augmenter la connectivité de l'application, notamment pour gérer des réseaux sans fil, via Bluetooth, pour partager le moniteur et contrôler le smartphone à distance depuis un autre appareil (comme les tablettes, les smartphones, les ordinateurs portables, etc.)

L'application de notre laboratoire a été développée pour Android, iOS et Windows Mobile, ce qui nous permet de couvrir la quasi-totalité du marché des smartphones. C'est un point clé de notre laboratoire, car nous pouvons offrir à tous les étudiants la même plateforme de laboratoire, quels que soient le vendeur et le système d'exploitation de leur smartphone. Cette approche donne aux élèves participant au projet une "gymnastique" spéciale visant à tester et à appliquer sur le terrain leurs connaissances dans les langages de programmation les plus populaires pour les appareils mobiles (tels que Java, Objective-C, C#, Swift, etc.).

Enfin, nous soulignons que notre laboratoire de smartphones met en œuvre un ensemble de nœuds de capteurs, selon le paradigme de l'Internet des objets. En outre, au sein du laboratoire, un simple smartphone peut également être utilisé comme carte ADC pour acquérir des données à partir des ports disponibles (par exemple, audio, USB, etc.), ou comme unité de traitement numérique des signaux (DSP) programmable. Cette méthodologie de conception simple, associée à la disponibilité de circuits à faible coût (qui peuvent être utilisés pour mettre en œuvre des extensions et des préférences), ouvre de nouvelles perspectives aux méthodologies d'enseignement qui comprennent également la possibilité innovante pour les étudiants d'effectuer des activités expérimentales également en dehors des laboratoires universitaires, quand ils le souhaitent et sans limite dans le nombre de répétitions.

La comparaison des mesures effectuées est facilitée par l'utilisation de la même application pour tous les élèves de la classe, même avec des smartphones différents. D'autre part, l'utilisation de différentes applications peut être intéressante d'un point de vue pédagogique, car elle peut permettre de sensibiliser davantage à la nécessité scientifique de comparer les caractéristiques de différentes tromperies/capteurs (précision, sensibilité, portée, fréquence, séries temporelles, etc.) La comparaison des données et des méthodes est également une excellente introduction à la gestion statistique des erreurs, ce qui constitue un autre avantage important inclus dans cette approche de laboratoire de smartphones.


objectifs

Le projet vise à utiliser les senseurs des smartphones pour :

  • développer un ensemble d'expériences de laboratoire, à différents niveaux de complexité et d'aide au tutorat (en commençant par des activités supervisées réalisées à distance - via Internet - jusqu'à des expériences à domicile ou n'importe où) ;
  • développer certains outils d'évaluation pour évaluer l'impact des activités de laboratoire sur le processus d'apprentissage sur une population hétérogène d'étudiants (avec différents niveaux de connaissances de base, de compétences de départ et de caractéristiques psychologiques).

En outre, le projet vise à évaluer l'impact des laboratoires au sein de la plateforme d'apprentissage en ligne adoptée à l'Université UNINETTUNO. Les activités de laboratoire doivent être gérées et supervisées par des tuteurs, dans le cadre d'un dialogue "socratique" (où sont mis en œuvre les principes d'"échafaudage cognitif" dans le parcours d'apprentissage (Fernandez, 2003 Meijer et al. 2006)), afin de suivre en permanence (de manière synchrone et asynchrone) les progrès du processus d'apprentissage (Garito, 2015). Les activités de laboratoire développées doivent être : faciles à comprendre, flexibles et personnalisables. Le point de départ de la conception de l'environnement d'apprentissage des laboratoires a été les théories cognitivistes et constructivistes de l'apprentissage (Vygotsky, 1978 ; Bruner, 1956). L'apprenant doit jouer un rôle actif (Michael, 2006) sur un chemin de complexité progressive et procédurale et peut facilement interagir avec un environnement construit sur des connaissances théoriques et pratiques (Garito, 2001). Les laboratoires mobiles offrent également la possibilité de développer et de soutenir un apprentissage collaboratif ouvert et flexible (Jara et al., 2009) où la participation active des étudiants est une exigence principale. Lors de la conception des laboratoires mobiles, une attention particulière a été accordée (Garito et al., 2006)

  1. L'interactivité (qui est une exigence principale dans l'utilisation d'environnements de haute technologie) comprenant de nombreuses fonctionnalités (telles que "option d'arrêt/pause/réinitialisation", "scanning intelligent", "réglages", "procédure d'étalonnage", etc.) ;
  2. L'intentionnalité, pour réduire la complexité de l'environnement (dans les environnements riches en informations, l'utilisateur a besoin d'un modèle réduit du résultat à atteindre pour éviter de se perdre dans l'hyperespace) ;
  3. Le retour d'information (qui est essentiel pour tout apprentissage intentionnel. Plus une personne en sait, mieux elle peut utiliser le retour d'information pour recueillir et traiter davantage d'informations) ;
  4. Contrôle : l'apprenant doit être supervisé. Les laboratoires donnent aux étudiants la possibilité d'agir à différents niveaux d'interactivité et de s'appuyer sur les conseils de professeurs/tuteurs qui supervisent les expériences et peuvent communiquer avec les étudiants par le biais d'outils de communication en ligne, synchrones (par exemple : chat, classes virtuelles) et asynchrones (par exemple : forums, wikis).
Cette structure est à la base de l'architecture du système de tutorat et d'évaluation conçu pour les laboratoires mobiles qui vise à contrôler l'ensemble du processus d'apprentissage, à corriger les comportements inappropriés, à évaluer les connaissances des étudiants et à fournir un retour d'information continu.


rôle UNINETTUNO

Le rôle d'UNINETTUNO était de développer et de mettre à jour l'application UbivisLabs ; d'aider les étudiants à utiliser l'application pendant leur processus d'apprentissage ; d'évaluer l'impact de l'application sur les résultats et la qualité des activités d'apprentissage.
Selon le modèle "learning by doing", notre application de laboratoire pour smartphone est conçue de manière à ce que les ressources multimédia disponibles puissent être consultées étape par étape pendant l'exécution des mesures. L'étudiant peut agir efficacement lorsqu'il estime qu'il a acquis toutes les informations nécessaires sur le sujet. En outre, plusieurs outils de tutorat sont toujours disponibles pour les étudiants, tels que : des instructions (y compris les bonnes réponses) ; des vidéos montrant la procédure suggérée pour l'exécution des tâches assignées (afin d'éviter que les étudiants ne s'écartent du chemin prévu) et des outils pour le tutorat à distance et l'étude collaborative. En fait, grâce à la fonction - disponible dans notre application de laboratoire mobile - qui permet de partager l’écran du smartphone, un tuteur peut guider les élèves pas à pas pendant les activités expérimentales.

La présence d'un guide, le dialogue socratique adopté comme style de communication et la capacité d'intégrer la pratique et l'apprentissage constituent une puissante synergie qui a contribué à la création d'un environnement agréable et attrayant, constamment mis à jour et perfectionné pour l'étudiant. Les caractéristiques du laboratoire sont basées sur le modèle d'apprentissage par l'expérience (Pfeiffer et Jones, 1985 ; et Pfeiffer et Ballew, 1988) où le processus est aussi important que le résultat final, permettant à l'étudiant d'atteindre, dans des situations contrôlées, les différentes étapes de l'apprentissage : faire face à un problème, faire l'expérience, communiquer avec les autres, analyser les données de l'expérience, faire des généralisations et appliquer les résultats à d'autres expériences. Enfin, la possibilité de partager l'écran du smartphone avec des camarades de classe peut aider à l'étude collaborative entre les élèves d'une même classe.

Une des caractéristiques du projet qui apparaît qualifiante et innovante du point de vue de la recherche-action est également la phase d'évaluation, conçue selon une relation enseignant/étudiant soutenue par l'introduction de systèmes de tutorat intelligents. Le système d'évaluation appliqué au laboratoire mobile a été conçu selon les trois exigences fondamentales suivantes (Garito, 1997) (i) les évaluations doivent être continues, avec des contrôles périodiques (pour donner un retour d'information continu à l'enseignant et à l'apprenant et pour assurer une augmentation de la qualité et de la quantité des concepts acquis) ; (ii) les évaluations doivent être, dans la mesure du possible, interdisciplinaires (pour mettre en évidence à la fois les implications pratiques des concepts abstraits et les applications des modèles théoriques) ; (iii) les évaluations doivent inclure certains obstacles obligatoires (pour pousser l'étudiant à faire des efforts visant à compléter ses connaissances et à maintenir un niveau de qualité élevé du processus éducatif).

L'utilisation des smartphones permet de développer des solutions à faible coût pour les laboratoires éducatifs mobiles. Cela est possible grâce à la diffusion récente des smartphones équipés de capteurs MEMS qui fournissent de nombreux instruments (pouvant fonctionner simultanément) tels que : accéléromètre, magnétomètre, luxmètre, gyroscope, générateur de signaux, oscilloscope, analyseur de spectre, générateur de signaux numériques, multimètre et alimentation électrique.
Les laboratoires basés sur les téléphones intelligents permettent de surmonter les limites de temps et d'espace imposées par l'accès aux laboratoires physiques standard, en personne ou à distance. En outre, les étudiants ne courent pas le risque d'utiliser des instruments de laboratoire complexes ou délicats. Le point essentiel de l'utilisation du laboratoire éducatif sur les smartphones est que pour réaliser de nombreuses activités expérimentales dans le cadre de l'apprentissage, on n'a pas besoin d'instruments sophistiqués (avec une grande précision, sensibilité ou exactitude) ou d'équipements complexes aux performances avancées. Dans de nombreux cas, de bons résultats peuvent être obtenus même avec des équipements moins extrêmes, mais uniquement avec des capteurs MEMS disponibles sur un smartphone. Un laboratoire mobile ne peut pas remplacer un vrai laboratoire et vice versa.

Tout simplement, de nombreuses expériences peuvent être réalisées plus facilement et plus rapidement avec un smartphone. Les nombreuses applications disponibles sur le marché (dont beaucoup sont gratuites) constituent une aide pédagogique utile, fournissant du matériel ou des solutions à des questions courantes de manière plus simple. Par exemple, en électronique, il existe plusieurs applications pour calculer les résistances ou pour aider au codage des couleurs des résistances. L'approche classique qui consiste à utiliser le même appareil et/ou la même application pour toute la classe peut être surmontée en utilisant une application commune avec les appareils privés de chaque élève et/ou plusieurs applications qui peuvent effectuer la même mesure. Grâce aux smartphones, la salle de classe peut devenir un laboratoire informatique en passant simplement du papier et des livres aux smartphones et aux applications, décongestionnant ainsi facilement l'emploi du temps du laboratoire informatique. Nous avons développé un laboratoire basé sur les smartphones qui consiste en une application disponible pour les systèmes d'exploitation populaires tels que Android, iOS et Windows Phone.

Le laboratoire - conçu principalement pour les cours STEM - est basé sur une approche open source développée par des étudiants pour des étudiants. Le code d'application peut être librement amélioré et constitue lui-même un laboratoire d'informatique et de TIC. Ces laboratoires permettent de réaliser des activités expérimentales n'importe où, et pas seulement dans le laboratoire traditionnel, ce qui change le paradigme selon lequel les étudiants doivent nécessairement travailler dans le laboratoire physique ou ne peuvent réaliser des expériences qu'à distance. Maintenant, c'est le laboratoire qui va aux étudiants et non plus l'inverse. D'autre part, la possibilité de réaliser des expériences non pas nécessairement à l'école ou à l'université, mais à la maison et partout, représente une étape supplémentaire dans le processus d'apprentissage, visant à accroître à la fois l'autonomie de l'étudiant et son niveau d'apprentissage.


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