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Sciences de la vie et de la Terre

Utiliser le logiciel Scratch pour modéliser un phénomène biologique

05 / 10 / 2017 | Guillaume Berthelot

I. À propos du logiciel

Scratch est un logiciel de programmation avec une interface graphique agréable et intuitive. Il suffit d’agencer des blocs de manière logique pour réaliser un algorithme ou une application simple.

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Les blocs à agencer pour créer un algorithme.
Un descriptif plus complet du logiciel est proposé en fin d’article, à voir également sur le portail AJN.

II. Quel a été le déroulement de la séance ?

Pré-requis
Lors de la précédente séance, les élèves ont découvert le principe et le mécanisme de la vaccination à l’échelle individuelle.

Phase de motivation (10 minutes)
Suite à un bref rappel, j’ai affirmé que la vaccination permettait également de protéger les autres individus.
Après une phase d’étonnement, les élèves ont soumis des idées pour expliquer mon affirmation. Certaines idées ont été rapidement réfutées car certains aspects du mécanisme vaccinal avaient été mal compris. Au final, une hypothèse a émergé : « la vaccination empêcherait la propagation des microbes ».
Afin d’obtenir des arguments pour corroborer l’hypothèse, j’ai demandé de concevoir un protocole. Très vite, ils me proposèrent de comparer une épidémie avec vaccination et une autre sans vaccination. Cependant, les élèves ont eu conscience que l’expérimentation sur des humains n’était pas éthique. Je leur ai donc proposé de modéliser informatiquement l’épidémie.

J’ai alors présenté aux élèves un programme (à télécharger ci-dessous). [1]

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Simulation épidémie incomplète sb2

Le programme est incomplet : il y a plusieurs individus qui se déplacent mais aucune maladie ne se transmet. Les élèves ont compris qu’ils devaient compléter ce programme.

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Modèle incomplet fourni aux élèves.
Les ronds jaunes représentent les individus. Au départ, il n’y a qu’un seul individu infecté (rond rouge).

Phase d’activité (40 minutes)
En salle informatique, les élèves ont ouvert le fichier élève.sb2 sur leur ordinateur [Dans mon établissement, le logiciel Scratch hors ligne est installé sur chaque ordinateur : cela permet de gagner du temps. J’avais pris soin de créer un fichier par élève].
Les élèves ont ensuite programmé les scripts nécessaires pour que la simulation soit complète. Des coups de pouce sous la forme d’un fichier .pdf étaient proposés pour que chaque élève soit le plus autonome possible. Ils avaient aussi le droit de s’entraider. Lorsque les élèves m’appelaient, j’aidais uniquement si le coup de pouce ne contenait pas la réponse. Bien souvent, j’envoyais l’élève vers un autre élève qui avait eu le même problème et qui avait su le régler.

Lorsqu’un élève avait terminé son programme (à télécharger ci-dessous), il devait lancer les simulations.

  • une simulation sans vaccination,
  • une simulation avec un taux de vaccination de 90%
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Une épidémie en cours.
Des individus verts se sont déjà remis de la maladie. Des individus rouges sont toujours atteints.
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Simulation épidémie complète

A chaque simulation, l’élève devait venir remplir un tableur sur l’ordinateur du professeur. Il indiquait ainsi le nombre de personnes infectées au cours de la simulation. Certains élèves ont lancé 4 à 5 fois les simulations. D’autres aucune car ils n’avaient pas fini leur programme. Ces derniers ont néanmoins pu observer la simulation d’un camarade en fin de séance. Au final, pour chaque classe de 24 élèves, les deux simulations ont été faites environ 30 fois chacune.

Bilan de la séance (5 minutes)
Lorsque les résultats des simulations ont toutes été entrées sur le tableur, j’ai rapidement calculé la probabilité qu’un individu non vacciné tombe malade puis projeté le résultat au tableau et demandé aux élèves de conclure oralement sur leur hypothèse de départ.

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Résultats des simulations.
N’ayant pas conservé les tableurs réalisés avec les élèves, voici un exemple de tableur obtenu avec 10 simulations de chaque. On constate que la probabilité d’être infecté est de 88 % lorsqu’il n’y a pas de vaccin et de 14 % en présence de vaccin. Ces chiffres sont valables uniquement pour le modèle : il est important d’en discuter avec les élèves et de fournir les chiffres correspondant à la réalité.

Lors de la séance suivante, j’ai fait un bref rappel de la programmation et on a discuté des limites du modèle.

III. Quels étaient mes objectifs ?

Cette séance a été l’occasion pour moi de faire travailler les élèves sur les points suivants :

Domaine du socle et éléments signifiants

  • Domaine 1 - Composante 3 : Comprendre, s’exprimer en utilisant les langages mathématiques, scientifiques et informatiques. Utiliser l’algorithmique et la programmation pour créer des applications simples
  • Domaine 4 : Les systèmes naturels et les systèmes techniques. Identifier des règles et des principes de responsabilité individuelle et collective dans les domaines de la santé, de la sécurité, de l’environnement

Programme

  • Thème 3 : Le corps humain et la santé : Argumenter l’intérêt de politiques de prévention et de lutte contre la contamination et l’infection ; expliquer la limitation des risques à l’échelle collective par une application de mesures à l’échelle individuelle.

IV. Quelles pistes pour améliorer le projet ?

Suite à cette séance, j’ai envisagé les modifications suivantes :

  • faire calculer la probabilité de tomber malade par les élèves eux-mêmes mais à titre personnel, je préfère que la séance se termine par une réponse.
  • préparer le tableur pour ne pas avoir à refaire les formules et à calculer devant les élèves les probabilités.
  • fournir une fiche élève à compléter. En effet, les élèves n’ont eu aucune trace écrite de leur travail. Étant donné que la séance est très intense, une photocopie d’une fiche me parait appropriée. Les élèves n’auraient qu’à compléter le tableau des résultats et la conclusion.
  • envisager un EPI avec le professeur de mathématiques pour qu’il reprenne la simulation et l’exploite pour traiter son programme. Il serait ainsi possible d’ajouter des scripts pour que l’on connaisse le nombre d’individus infectés à chaque seconde. On pourrait alors récupérer ces données dans un tableur afin de réaliser un graphique. On pourrait ainsi comparer les graphiques obtenues par la simulation avec les graphiques d’une véritable épidémie que l’on peut obtenir sur le réseau sentinelle. Dans ces conditions, on pourrait alors engager une discussion avec les élèves sur les limites du modèle et sa relation avec la réalité.

V. En guise de conclusion

Cette séance a demandé beaucoup de préparation pour une première fois, mais j’ai eu la satisfaction d’avoir atteint mes objectifs et de voir les élèves engagés. Il y a eu beaucoup d’entraide entre les élèves et certains, peu « scolaires », ont su montrer de véritables aptitudes à programmer et à raisonner.

Certains élèves ayant déjà réalisé de la programmation scratch auparavant, ils ont été rapides et efficaces. Certains ont donc pu améliorer la simulation en ajoutant de nombreuses variables : ils ont ainsi modulé la contamination pour qu’elle ne soit pas systématique, d’autres ont mis une variable sur le temps de rétablissement (puisqu’il est différent selon les individus). Un élève a voulu ajouter le facteur “mortalité” mais n’a pu finir dans les temps.

Fort de cette expérience positive, je me suis lancé dans la création d’une seconde modélisation pour faire découvrir la dynamique de population (relation proie-prédateur). Je souhaite ensuite reprendre ce modèle avec les élèves pour l’améliorer en ajoutant des mutations phénotypiques chez les prédateurs et ainsi aborder la sélection naturelle …

Pour aller plus loin : présentation détaillée du logiciel Scratch

Avantages

  • Utilisé par de nombreux professeurs de Mathématiques et de Technologie dans le cadre des nouveaux programmes du cycle 4. Pour cette raison, les élèves peuvent déjà connaître le fonctionnement du logiciel : c’est un gain de temps et d’efficacité. [2]
  • Fonctionne sur internet sans avoir besoin d’installer un logiciel.
  • Pas d’obligation de créer un compte pour s’en servir.
  • Possibilité de créer un compte gratuit sans fournir d’informations personnelles.

Inconvénients

  • A la date du 3 mai 2017, il ne fonctionne que sur PC. Il n’y a pas encore d’applications disponible sur Android et iOS.
  • Exige le plugin Adobe Flash Player pour fonctionner. [3]. Il est possible de contourner le problème en utilisant un autre logiciel fonctionnant sur le même principe et ne nécessitant aucun plugin : Snap !.

[1Vous pouvez télécharger le fichier puis l’ouvrir avec le logiciel Scratch pour découvrir par vous même.

[2Scratch n’est pas cité dans les programmes de mathématiques ou de technologie, mais sa simplicité a conquis de nombreux professeurs pour aborder les algorithmes.

[3C’est pour cette raison qu’il ne peut pas fonctionner avec le navigateur d’une tablette android ou iOS

 

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