L’utilisation de simulateurs virtuels de laboratoire pour s’entrainer aux gestes techniques Avec la plateforme en ligne LabXchange

Cette proposition de séquence pédagogique s’inscrit dans les Travaux Académiques Mutualisés (TraAM) 2021-2022 ayant pour thématique : « Articuler numérique et réel, en présentiel et en distanciel, en synchrone et en asynchrone ».
La problématique du projet versaillais décline ce sujet sous l’angle des compétences et démarches expérimentales : Comment le numérique peut-il contribuer au développement des compétences ciblées, renforcer le suivi des apprentissages, permettre de renforcer les mises en œuvre pratiques en classe et d’assurer une complémentarité entre des activités réalisées en synchrone et en asynchrone dans la classe et à distance ?
L’ensemble des projets est accessible via l’article central : « Présentation du projet TraAM 2021-2022 de l’académie de Versailles ».
Le scénario pédagogique présenté dans cet article est une proposition, dont tous les contenus restent adaptables aux pratiques pédagogiques de chaque enseignant.

Dans les programmes de Première spécialité SVT et STL, des électrophorèses peuvent être réalisées en classe et l’utilisation des micropipettes ou le dépôt de solutions dans les puits peuvent poser problème aux élèves. La pratique au préalable d’une simulation numérique, et donc l’utilisation d’un laboratoire virtuel, peut être une solution pour s’entrainer à ces gestes techniques permettant ainsi d’anticiper les difficultés liées à l’utilisation du matériel ou liées à la compréhension même de l’électrophorèse. L’autonomie de l’élève sera alors assurée lors de la réalisation de la manipulation réelle.

  Professeur expérimentateur

Sébastien BERGEOT, au lycée Hardouin-Mansart à Saint-Cyr-l’École (78)

 Vidéo de présentation

 Caractéristiques de la séquence

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné 1ère spécialité SVT, et 1ère STL
Partie du programme SVT :
- la Terre, la Vie, l’organisation du vivant / Transmission, variation et expression du patrimoine génétique / La réplication de l’ADN, réalisation d’une PCR
- Corps humain et santé / Variation génétique et santé / Mutations et santé / détection d’un allèle morbide par les enzymes de restriction.
- D’autres thèmes comme l’enzymologie ou l’immunologie peuvent se prêter à la réalisation d’une électrophorèse.
STL :
- Génétique moléculaire / Identifier le mode de transmission d’un caractère héréditaire à partir d’un arbre généalogique.

MOTIVATION
Dans les programmes de 1ère Spécialité et STL, des électrophorèses peuvent être réalisées en classe. Cette manipulation nécessite de former les élèves à un certain nombre de capacités, comme par exemple l’utilisation des micropipettes ou le dépôt de solutions dans les puits. Le principe même de l’électrophorèse est aussi à appréhender. Généralement, la formations à ces capacités se fait en une unique séance et les élèves n’ont pas le temps de vraiment comprendre ce qu’ils font, passant parfois à côté des subtilités des gestes techniques. La pratique au préalable d’une simulation numérique, et donc l’utilisation d’un laboratoire virtuel, peut être une solution pour s’entrainer à ces gestes techniques, permettant ainsi d’anticiper les difficultés liées à l’utilisation du matériel ou liées à la compréhension même de l’électrophorèse.
PROBLÈME À RÉSOUDRE

Comment s’entrainer aux gestes techniques en utilisant des simulateurs virtuels de laboratoire ?

CONNAISSANCES, CAPACITÉS
Connaissances Extrait du Bulletin officiel spécial n°1 du 22 janvier 2019 Programme de Sciences de la vie et de la Terre de Première générale et technologique :
- Les mutations sont à l’origine de la diversité des allèles au cours du temps. Selon leur nature elles ont des effets variés sur le phénotype.
- Certaines mutations, héritées ou nouvellement produites, sont responsables de pathologies parce qu’elles affectent l’expression de certains gènes ou altèrent leurs produits.
- L’examen des arbres généalogiques familiaux permet de connaître les modes de transmission héréditaire des déterminants génétiques responsables. L’étude des génomes de grandes cohortes de patients est à la base de l’identification des gènes correspondants.
Dans le cas d’une maladie monogénique à transmission autosomique récessive, seuls les homozygotes pour l’allèle muté sont atteints. Les hétérozygotes sont des porteurs sains.
Capacités Extrait du Bulletin officiel spécial n° 1 du 22 janvier 2019 Programme de Sciences de la vie et de la Terre de Première générale et technologique :
- Suivre un protocole expérimental.
- Exploiter des bases de données pour mettre en relation des mutations et leurs effets.
- Prédire les risques génétiques des nouvelles générations en calculant leur probabilité (conseil génétique). Poser un diagnostic génétique par la lecture de résultats de tests génétiques.
Cadre de référence des compétences numériques (CRCN)
  • Collaborer
  • Interagir
  • Partager et publier
  • S’insérer dans le monde numérique
  • Évoluer dans un environnement numérique

 Déroulement de la séquence

Déroulement global

Activité
Durée Coût Sécurité
  • étape 1 : en distanciel, sur LabXchange, pratique du scénario pédagogique incluant l’utilisation des simulateurs virtuels de laboratoire = 1h
  • étape 2 : en réel, en salle de TP, réalisation de l’électrophorèse = 1h30



Durée totale (activité 1 + activité 2) : 2h30

environ 115 euros pour le kit drépanocytose RAS
Outils numériques et ressources
  • Geniegen2 pour l’étude des séquences génétiques.
  • Labxchange pour l’utilisation des simulateurs virtuels de laboratoire.

Déroulement détaillé

  • Pré-requis : Étude d’une maladie génétique, la drépanocytose, avec identification de l’allèle à l’origine de l’allèle HBS et notions sur les enzymes de restriction. Pour cela, un scénario de la plateforme Moodle ELEA intégrant Geniegen2 est donné aux élèves soit en présentiel ou distanciel.
Scénario ELEA à importer
  • Partie 1 : en virtuel, pratique du scénario pédagogique sur LabXchange. Les élèves utilisent virtuellement la micropipette dans le but de réaliser une électrophorèse virtuelle.

Présentation vidéo du scénario

Les premiers éléments du scénario ont pour objectif de faire comprendre aux élèves le principe de l’électrophorèse avec un QCM. Viennent ensuite les éléments visant à la pratique de la micropipette et à la réalisation de l’électrophorèse.

  1. Pour tester le scénario LabXchange, il faut créer un compte et s’inscrire à la classe avec le code : 101C1B.
  2. Pour tester seules les deux simulations virtuelles de laboratoire :

Simulateur d’utilisation de la micropipette
Simulateur virtuel de l’électrophorèse

  • Partie 2 : en réel , en salle de TP, problématisation de l’activité qui justifie la réalisation d’une électrophorèse.
  1. Vidéo qui présente une consultation médicale. Une femme enceinte s’interroge sur les risques que son enfant venant à naître déclare la drépanocytose.
    lien de la vidéo (la partie à montrer est entre 0 et 4’50s)
  2. Les élèves doivent alors expliquer à cette femme les risques chiffrés selon les informations qu’ils recueillent sur la vidéo et selon leurs hypothèses.
  • Exemple de production-élève attendue :
  1. Réalisation du test génétique sous la forme d’une électrophorèse. Les échantillons d’ADN qui migrent, ainsi que les cuves à électrophorèse viennent de kits proposés par plusieurs fournisseurs.
  2. Les élèves interprètent alors le résultat de leur migration pour poser le diagnostic attendu par la patiente.

 Focus sur l’outil LabXchange

LabXchange est une plateforme de partage et de création de ressources scientifiques provenant de différentes institutions comme l’université de Harvard, Kahn Academy, Biobuilder, etc.

Avantages / Plus-values :

  • Les ressources proposées proviennent de divers instituts de recherche et sont donc très récentes. Elles ont des supports très variés (animations interactives, vidéos, simulations virtuelles...)
  • L’enseignant peut aussi intégrer ses propres ressources dans sa conception du scénario pédagogique.
  • L’enseignant peut suivre la progression de ses élèves dans le scénario pédagogique.

Points de vigilance :

  • Pour diffuser et pratiquer un scénario pédagogique, les élèves et l’enseignant doivent d’inscrire sur la plateforme LabXchange. Quelques informations personnelles sont alors demandées comme le nom et la date de naissance ce qui peut soulever quelques questions concernant le RGPD. Pour contourner ce problème, l’enseignant peut demander à inscrire LabXchange dans le registre de l’établissement.
  • Il y a très peu de ressources en français. Les ressources intéressantes sont principalement en anglais.
  • Les simulateurs virtuels nécessitent une bonne connexion internet ce qui peut poser problème à certains élèves.

 Retours, analyse et évaluation du dispositif

RETOUR DES IMPRESSIONS DES ÉLÈVES
Un questionnaire a été proposé aux élèves après la séance pour évaluer de l’efficacité des simulateurs virtuels sur le maniement de la micropipette et de la pratique de l’électrophorèse.

Les 22 élèves de la classe de 1ère spécialité (12 filles,10 garçons) ont répondu à ce questionnaire. Tous ont trouvé la séquence (temps synchrones et asynchrone) intéressante.

20 d’entre eux ont estimé que le simulateur virtuel les a aidés à bien manipuler la micropipette dans les conditions réelles. Ils ont en effet mieux anticipé les 2 crans d’arrêt pour prélever et éjecter les solutions. Ils évaluent leur maitrise de la micropipette à "bonne".
2 élèves ont par contre répondu que ce simulateur ne les avait pas aidé car le maniement de la souris n’a pas procuré les mêmes sensations que la prise en main réelle de la micropipette.

Quant à la réalisation de l’électrophorèse et son geste technique principal qui est le dépôt des solutions dans les puits, là encore 20 élèves ont répondu que le simulateur virtuel les avait aidés à bien réaliser l’électrophorèse dans les conditions réelles.
Les 2 élèves qui ont répondu que ce simulateur virtuel ne les avait pas aidés ont avancé les mêmes ressentis que précédemment.

15 élèves évaluent leur maitrise de l’électrophorèse à "bonne" et 7 à "encore hésitant".
D’après les verbatims, cette hésitation provient de la difficulté non palpable par le numérique à jauger de la profondeur d’un puits ou le fait de trembler pour déposer dans celui-ci.

ANALYSE ET ÉVALUATION DU DISPOSITIF
Plus-values dégagées
  • Les deux simulateurs virtuels ont bien entraîné les élèves aux gestes techniques du maniement de la micropipette et à la réalisation de l’électrophorèse. Le temps asynchrone a donc bien préparé le travail synchrone.
  • Le simulateur virtuel est qualifié par les élèves de ludique. Il permet de diminuer le stress des élèves quand ces derniers passent au réel. Ils ont eu en effet le temps chez eux de bien analyser le geste technique.
  • Le professeur peut, le jour de la séance réelle, laisser ses élèves véritablement en autonomie et donc passer moins de temps à les guider.
Limites
  • Il est possible que les 20 élèves qui ont répondu que ces simulateurs virtuels les avaient aidé à bien manier la micropipette se seraient aussi débrouillés sans.
  • La facilité d’utiliser ces simulateurs virtuels ne doit pas être un argument pour ne plus faire de vraies manipulations. En effet, la manipulation concrète d’outils réels comme la micropipette permet un meilleur ancrage dans la mémoire et aide à garder une meilleure motivation.
  • Une bonne connexion internet est nécessaire pour pratiquer ces simulateurs virtuels.

Une piste d’adaptation en classe de DNL
La grande majorité des ressources proposées est en langue étrangère (anglais, allemand...) avec parfois un sous titrage possible. Il est donc tout à fait envisageable de proposer des scénarios pédagogiques dans le cadre de la DNL.

Remerciements à l’équipe des TraAM 2021-2022 de l’académie de Versailles.

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