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Hans A. Braun
Institut de physiologie, Université de Marburg, Allemagne


Ce rapport décrit une expérience pédagogique sur plusieurs semestres comprenant des laboratoires " réels " ainsi que " virtuels ". Cette expérience s'est déroulée à l'université de Marburg dans le cadre de travaux pratiques pour des étudiants en médecine et en biologie humaine. En effet, le tollé des étudiants, au début des années 90, nous a incités à mettre fin à l'utilisation de préparations animales pour les cours de travaux pratiques. Ainsi, les expériences conventionnelles, comme celles qui utilisaient le nerf sciatique de la grenouille, et autres du même genre qui nous paraissaient essentielles pour leur valeur pédagogique, furent éliminées. Ce qui nous a amenés à une quête de méthodes alternatives et a créer des réalisations virtuelles d'expériences conventionnelles telles que les programmes informatiques de la série Virtual Physiology : SimNerv, SimMuscle, SimVessel, SimHeart et SimPatch. Distribués par Thieme Publishers (Stuttgart/New York), ces programmes sont, depuis plusieurs années, utilisés non seulement à l'université de Marburg mais aussi dans des centaines d'universités et d'écoles secondaires du monde entier ; on les emploie pour les cours magistraux, les séminaires et,plus particulièrement, pour les cours de travaux pratiques et très souvent ils remplacent les expériences conventionnelles qui nécessitaient l'utilisation de préparations animales.

Ce rapport prend aussi en compte les observations émanant d'autres universités ayant suivi un parcours pédagogique semblable, et l'évaluation, par les étudiants, à l'aide d'un questionnaire détaillé, des laboratoires virtuels et, plus particulièrement, de SimNerv. En tant que codéveloppeur de la série Virtual Physiology, je décris le contexte qui a conduit à l'élaboration de ces programmes et j'explique comment ils reflètent notre philosophie - les packages éducatifs informatiques peuvent et doivent être plus que juste une version animée de livres de cours. Je donne aussi des informations sur notre nouvelle série de logiciels pédagogiques de laboratoires virtuels appelés cLabs. Notre page d'accueil www.cLabs.de vous donnera des informations plus détaillées ainsi que l'accès gratuit à plusieurs applets de notre dernier logiciel lancé : cLabs-neuron.

Historique de la série Virtual Physiology

Nous avons développé notre premier programme pédagogique, SimNerv (d'abord appelé MacFrog) au milieu des années 90. A cette époque-là, la faculté de médecine de Marburg avait déjà arrêté toute utilisation de préparations animales pour les cours de physiologie, à cause des protestations d'étudiants, parfois violentes, contre l'utilisation d'animaux. Il était clair qu'il serait désormais impossible de continuer à enseigner, comme par le passé, en utilisant les préparations animales. Dans notre faculté, j'étais sans doute celui qui était le plus dans la ligne de mire des étudiants protestataires, car j'étais titulaire des deux derniers cours qui utilisaient encore des préparations animales - les traditionnelles expériences sur les nerf et muscle de grenouille. J'étais un ardent défenseur de ces expériences, car, pour moi, il n'existait pas, pour la pratique, de méthode d'apprentissage plus efficace. 

Nous nous sommes donc mis à chercher des méthodes alternatives et nous avons constaté qu'il n'y en avait pas. Très vite, nous avons réalisé que les techniques informatiques, en pleine évolution, allaient nous permettre de fabriquer des laboratoires virtuels où les étudiants pourraient faire des expériences comme dans un véritable laboratoire. Ces idées furent concrétisées, à l'époque, avec la collaboration de Martin Hirsch, étudiant et expert en conception multimédia, et de Martin Hubert, spécialiste de la modélisation informatique pour la neurodynamique.

Ayant le soutien du directeur de notre institut, Karlheinz Voigt, nous avons pu développer notre premier laboratoire virtuel, MacFrog, qui plus tard, lorsqu'il a été intégré à la série Virtual Physiology, est devenu SimNerv. La couverture médiatique de notre programme fut très positive et a convaincu Apple Computers et le Ministère de la Science et des Arts de l'Etat de Hesse (HMWK) de nous apporter leur soutien. 

Le programme a tout de suite été récompensé par de nombreux prix. En 1994, MacFrog a obtenu le " German/Austrian Software Award for the Best Teaching Software in Biology and Medicine ", ( Prix germano-autrichien du meilleur logiciel pédagogique pour la biologie et la médecine), le " Award for the Best Multimedia Application " (Prix de la meilleure application multimédia) et le " MacWorld Editors Award for Trendsetting Multimedia Software " ( Prix des éditeurs MacWorld pour un logiciel multimédia de pointe). Vu le succès du programme, le Ministère allemand de l'Education et de la Science (BMBF) décida de nous octroyer une subvention importante pour un contrat avec Thieme Publishers (Stuttgart/New York). Cet apport financier nous a permis de travailler sur la version finale de SimNerv, pour sa distribution auprès du public, et de développer trois autres programmes : SimMuscle, SimVessel et SimHeart.

Ces quatre programmes reproduisent fidèlement les expériences que j'avais l'habitude de faire avec des préparations animales en cours de physiologie/pharmacologie avec les étudiants en médecine de Marburg. Horst Schneider et Martin Hirsch décidèrent de compléter la série Virtual Physiology en y ajoutant un cinquième et ultime programme : SimPatch. 

Aujourd'hui, Martin Hirsch possède une société multimédia qui marche très bien (iAS, Marburg/Berlin, site : www.brainmedia.de). Martin Huber, quant à lui, poursuit, avec succès, ses études de modélisation informatique scientifique dans le département de psychiatrie et psychothérapie : il travaille toujours en étroite collaboration avec nous. Horst Schneider avait quitté l'université pour intégrer le milieu industriel, mais il a, tout récemment, décidé de rejoindre notre groupe et a contribué à notre nouvelle série de logiciels pédagogiques cLabs. 

Historique et concepts des laboratoires virtuels

Tout au long du développement de nos laboratoires informatiques virtuels, nous n'avons cessé d'être guidés par les mêmes critères que ceux qui, autrefois, m'avaient amené à me faire l'ardent défenseur des " véritables " expériences. Ces critères concernent le puissant impact éducatif des travaux pratiques lorsque les étudiants, bien préparés, effectuent l'expérience par eux-mêmes. Il est essentiel que les étudiants comprennent la structure expérimentale : ils ne doivent pas se retrouver face à des appareillages compliqués et les tâches physiologiques doivent avoir une orientation pratique tout en étant étroitement liées aux connaissances théoriques. La situation idéale serait celle où l'on " apprend en faisant " et où l'étudiant ferait ses expériences en toute liberté. 

Nous avons donc décidé de développer une interface informatique conviviale où l'on voit apparaître à l'écran des laboratoires entièrement équipés où la configuration des instruments peut être ajustée en cliquant avec la souris. Parallèlement, nous avons développé, pour la partie centrale du cours, des algorithmes qui, selon la configuration choisie, sont capables d'obtenir des préparations des réactions très réalistes. De plus, nous utilisons des variables aléatoires qui prennent en compte la variabilité naturelle des préparations, ce qui offre aux étudiants l'avantage de ne jamais avoir la même préparation ou les mêmes résultats que leurs voisins. De cette façon, les étudiants se trouvent dans un environnement qui se rapproche de manière très réaliste d'une situation en laboratoire traditionnel et peuvent, ainsi, profiter de certaines caractéristiques, décrites ci-dessous, propres au monde virtuel.


Ces programmes permettent aux étudiants d'exécuter, de manière virtuelle, des expériences de différents niveaux de complexité. Le contexte expérimental est relativement facile à comprendre lorsque par exemple les étudiants doivent reproduire, sur l'écran, des illustrations classiques de livres de cours telles que les maxima isotonique et isométrique des contractions musculaires. On part du principe que les étudiants qui réussissent à faire de tels enregistrements par eux-mêmes n'auront plus jamais de problème pour comprendre les caractéristiques biologiques de base, d'autant qu'ils se seront aussi formés aux techniques procédurales. D'une manière plus générale, les étudiants auront appris (pas forcément par la méthode la plus facile) qu'il faut de solides connaissances théoriques pour réussir une expérience. Ils le réaliseront d'autant plus lorsqu'il leur sera demandé de rassembler de façon systématique toutes les données relatives à un problème et d'en faire une analyse critique et qualifiée, avec une présentation pertinente des résultats. Les connaissances théoriques, ils en ont aussi besoin pour une interprétation juste de l'expérience. Par exemple, l'interprétation de la majorité des enregistrements dans l'expérience sur le nerf demande des connaissances théoriques sur l'ouverture et la fermeture du canal ionique, ce qui signifie qu'ils se doivent d'acquérir des connaissances physiologiques de niveaux différents pour pouvoir gérer la situation lorsqu'ils seront confrontés à une tâche difficile.

Cet enseignement veut aller plus loin que de faire seulement apprendre et reproduire des connaissances factuelles puisées dans les livres. Ici, les étudiants apprennent comment appliquer leurs connaissances et c'est cette approche qui leur sera la plus utile pour résoudre les problèmes qui surviendront au cours de leur carrière professionnelle - tout comme le fait un bon médecin qui va d'abord effectuer un examen systématique avant d'établir son diagnostic et pouvoir ainsi prescrire le traitement thérapeutique adéquat pour son patient. Il est intéressant de noter que c'est justement dans ce domaine que le " Program for International Student Assessment " (PISA) (programme pour l'évaluation internationale des étudiants) a détecté de graves lacunes en Allemagne ainsi que dans d'autres pays.


Expériences pédagogiques avec des laboratoires réels et virtuels

Le credo de ceux qui ne sont pas convaincus par l'efficacité des laboratoires virtuels est que l'étudiant ne peut pas s'exercer à la préparation sur des tissus biologiques vivants en cliquant sur une souris. C'est vrai, ce n'est pas possible, même avec les simulations informatiques les plus sophistiquées, car, si tel est l'objectif du cours, il est évident que l'expérience doit inclure des préparations animales. Néanmoins, la question à se poser est de savoir s'il est réellement nécessaire d'apprendre ces savoir-faire spécifiques en cours généraux de biologie, physiologie, pharmacologie ou à l'école secondaire.

La réponse dépend en grande partie des besoins et de l'efficacité d'une telle formation. J'ai souvent soutenu que les étudiants en médecine devaient apprendre par leur propre expérience, avant de traiter des patients, comment réagit un tissu vivant sensible et combien il est facile de perturber son fonctionnement en faisant une mauvaise manipulation. Mais je ne suis plus tout à fait convaincu de ce que j'affirmais, car les médecins ont tendance à, de plus en plus, se spécialiser et les étudiants qui seront appelés à faire des interventions chirurgicales y seront de toute façon entraînés. La question de l'efficacité laisse aussi à désirer, surtout par rapport au contexte actuel dans notre université où nous avons en cours de travaux pratiques des groupes de 16 étudiants, alors qu'ils n'étaient que 6 ou 8 à l'époque où je faisais encore des expériences sur des préparations animales en laboratoire. 

Il est difficile d'effectuer ce genre de travail avec un groupe de 16 étudiants inexpérimentés. En effet, je connais plusieurs départements où les étudiants reçoivent des tissus préparés par leur directeur de travaux pratiques. Il y a, de ce fait, des cours où l'on utilise des tissus d'animaux, mais ce ne sont pas les étudiants qui préparent les tissus. En ce qui concerne l'expérience qui suit la préparation, on a tout avantage à la faire dans un laboratoire virtuel. Je vais illustrer cette affirmation en me référant à nos expériences et à celles d'autres utilisateurs de SimNerv, parce que SimNerv est le programme le plus ancien et nous disposons, pour celui-ci, d'une récente évaluation détaillée de la part des étudiants. 

Lorsque nous avons intégré SimNerv/MacFrog dans le cours de physiologie générale, nous n'avons pas eu le temps de rédiger le mode d'emploi. Nous avons repris les instructions et les protocoles ayant déjà servi lors de cours précédents qui utilisaient des préparations animales. Les étudiants ont tout simplement suivi les instructions sans rencontrer la moindre difficulté et ont fait exactement les mêmes expériences que leurs prédécesseurs - tout en obtenant un meilleur taux de réussite. Ceci illustre parfaitement à quel point la simulation ressemble à un véritable laboratoire, ce qui a été confirmé par d'autres groupes de travail : " Cette simulation permet aux étudiants d'expérimenter virtuellement tout ce qu'ils auraient pu voir sur un nerf ". J'ai appris que dans plusieurs établissements, certains professeurs comptaient utiliser SimNerv comme introduction aux expériences à faire en laboratoire, mais qu'ils décidèrent par la suite que cette " activité, qui aurait dû normalement être programmée, s'avérait inutile " (citation d'un rapport de D. Wilson, université de Miami, Oxford, Ohio).

Avec le temps, nous avons remarqué que les préparations virtuelles donnaient de meilleurs résultats que les préparations réelles. Nous avons réalisé - mais seulement après notre récente expérience des laboratoires virtuels, nous l'admettons - qu'il était tout à fait illusoire de penser que les étudiants effectuaient les expériences tout seuls lorsqu'ils étaient en laboratoire. Ils avaient pour habitude de suivre les instructions à la lettre et lorsqu'il fallait changer des paramètres, ils demandaient à leur directeur de travaux pratiques de leur confirmer l'exactitude des nouveaux paramètres avant de poursuivre l'expérience. La raison pour laquelle les étudiants se comportaient de la sorte est évidente : ils craignaient que les nouveaux paramètres ne détruisent la préparation et, donc, de ne pas obtenir leur certificat ou bien d'être obligés de sacrifier un autre animal (ce qui, d'ailleurs, n'aurait pas été autorisé).

Dans les laboratoires virtuels, nous nous sommes trouvés, contre toute attente, face à des étudiants étonnamment actifs qui nous ont incités à modifier les instructions, étape par étape. Aussi, nous avons décidé d'inclure des tâches pour lesquelles nous n'avions pas donné d'explications détaillées, car nous voulions laisser à l'étudiant la liberté de faire ses propres investigations. Certaines de ces expériences auraient été très difficiles à effectuer dans un véritable laboratoire, mais leur valeur didactique ne laisse aucun doute. Par exemple : dans l'expérience faite sur le nerf, il est pratiquement impossible de bloquer la conduction nerveuse ou même de changer la position des électrodes, qui stimulent et enregistrent, sans entraîner toute une série de changements imprévisibles. Or, cela ne pose aucun problème dans le laboratoire virtuel. Nous demandons donc aux étudiants d'induire des potentiels d'action mono et diphasique ou inversée ou de trouver quelle électrode est connectée à la sortie du stimulateur positif et négatif ou l'entrée inversée ou non inversée de l'amplificateur différentiel. Lorsque les étudiants auront réussi, par leur propre expérience, à apporter les bonnes réponses aux questions posées, ils auront beaucoup appris sur la génération et l'enregistrement de potentiels d'action composés et ils auront réalisé combien les paramètres expérimentaux peuvent avoir un effet significatif sur le résultat d'une expérience.

Pour donner un autre exemple : dans SimHeart, nous encourageons les étudiants, en plus des expériences standard, à étudier l'activité cardiaque poussée à ses limites. Nous les laissons provoquer et comparer des arrêts cardiaques au moment de la diastole et de la systole ou nous leur demandons d'utiliser des glucosides sur un cœur préactivé, afin de leur permettre d'observer, non seulement les effets positifs de certaines substances thérapeutiques, mais aussi leur toxicité potentielle. Nous sommes convaincus que les étudiants apprennent beaucoup de ces situations de contractions cardiaques extrêmes qui ne sont, par crainte que la préparation ne puisse y résister, que très rarement reproduites dans un véritable laboratoire. 

De ce fait, l'expérimentation dans les laboratoires virtuels est bien plus enrichissante et les étudiants sont plus actifs. Mon sentiment, ainsi que celui des autres professeurs, est que l'enseignement ne s'est pas dégradé, mais que, bien au contraire, il s'est amélioré. Les étudiants n'ont plus à se sentir frustrés à cause d'une préparation ou un d'instrument qui ne fonctionne pas et ils ne risquent plus d'avoir l'appréhension, comme par le passé, d'utiliser par erreur certaines commandes qu'il leur était interdit de toucher sur les instruments dont ils se servaient. Les étudiants ont moins tendance à solliciter leur directeur de travaux pratiques et ils font preuve de plus d'initiatives. Ce qui est également très important, c'est que l'expérimentation et l'apprentissage n'ont plus à pâtir d'éventuelles émotions négatives dues à l'utilisation d'animaux sacrifiés. 

Bien sûr, il y aura toujours des enseignants qui voudront à tout prix faire des " expériences sur animaux " dans leur programme de physiologie ou de biologie, car ils ressentent nos programmes comme une menace. Cela pourrait expliquer des critiques assez surprenantes, notamment de la part de nos collègues allemands, déclarant que les programmes sont : " pires que la télévision ", " des jouets " ou encore " des Tamagochi ". Ce genre d'observations 
(R. Klinke, H.Wiese dans Uni-Spiegel 02/2001) est cependant très rare. La plupart des articles dans les journaux et magazines allemands, surtout dans ceux qui ont une excellente réputation, sont élogieux vis-à-vis de nos programmes et insistent en précisant par exemple, que " les auteurs, sans aucun doute, ont réalisé un excellent travail " (Frankfurter Allgemeine Zeitung, FAZ 22.07.98) ou, plus récemment, que ces programmes sont " bien plus instructifs que les expériences conventionnelles " (Zeitpunkte 1, 2001) et " avaient établi des normes internationales pour les logiciels éducatifs de qualité " (Die Zeit, 28.12.00).

Ces critiques, très positives à l'égard de nos programmes, ont tout dernièrement été confirmées par une évaluation de SimNerv, faite à l'aide d'un questionnaire très détaillé auquel ont répondu, de façon anonyme, 155 étudiants en médecine de notre cours de physiologie générale.
Des questions sur la facilité d'emploi de cet équipement virtuel ont révélé que son utilisation ne posait aucune difficulté. De plus, les étudiants ont eu l'impression que SimNerv les aidait à mieux comprendre la physiologie du système nerveux et la majorité d'entre eux a estimé qu'elle avait plus appris avec ce programme qu'avec une véritable expérience. Nous leur avons aussi demandé de comparer SimNerv avec d'autres expériences pédagogiques, partant du fait qu'ils n'avaient utilisé SimNerv que vers la fin du cours, après avoir pratiquement terminé toutes les autres expériences : nous avons, à nouveau, obtenu des résultats très positifs (> 80%). Ceci est d'autant plus remarquable que la physiologie du système nerveux ne fait habituellement pas partie des sujets préférés des étudiants et que SimNerv était en concurrence avec des exercices cliniques très poussés (EEG, ECG, analyses du plasma sanguin, etc.) effectués dans des laboratoires extrêmement bien équipés.

Avant d'utiliser SimNerv, on a demandé aux étudiants s'ils considéraient les simulations multimédias comme des alternatives valables par rapport aux expériences réelles : leur réponse a été dans l'ensemble plutôt positive. Lorsqu'ils ont eu à répondre à la même question après l'expérience SimNerv, les résultats ont révélé une augmentation statistiquement significative des réponses positives. Dès lors, il n'est plus surprenant que les étudiants s'intéressent au développement et à l'utilisation de programmes de simulations.


Situation actuelle et projets : le concept cLabs

Nous travaillons actuellement sur une série avancée de laboratoires informatiques virtuels, appelés cLabs, qui développent le concept Virtual Physiology sur plusieurs niveaux.

Premièrement, les programmes cLabs vont faciliter le travail d'autoexpérimentation des étudiants et vont inclure des animations et des simulations simplifiées pour qu'ils puissent se préparer graduellement aux expériences plus complexes des laboratoires virtuels. Deuxièmement, une partie des applets de notre programme cLabs-Neuron est déjà accessible sur notre page d'accueil www.cLabs.de ; pour le programme cLabs-SkinSenses, ils le seront bientôt et nous allons développer des ressources similaires pour la série Virtual Physiology.


La série cLabs propose des expériences qui peuvent être réalisées in silico (avec des logiciels), car, tout comme SimPatch, elles sont trop difficiles à effectuer physiquement au cours du programme. C'est le cas de cLans-Neuron qui propose des laboratoires virtuels permettant des enregistrements au niveau du canal ionique et des expériences de clamp de courant/voltage ainsi que cLans-Skin Senses qui simule des enregistrements à fibre unique à partir d'afférents mécano et thermosensibles de la peau.

De plus, notre approche de base avec l'utilisation de simulations mathématiques, comprenant des composantes aléatoires, correspond bien à l'idée d'une " Virtual University " avancée, car les étudiants et les directeurs de travaux pratiques peuvent contrôler les différentes expériences - y compris sur Internet. Par exemple, chaque fois qu'un utilisateur se connectera à un de nos laboratoires virtuels, il y trouvera ses préparations personnelles. Il est à noter cependant que ce qui pourra sembler être une variabilité imprévisible pour l'utilisateur, aura en fait été très clairement défini mathématiquement. Ainsi, cette approche de base va permettre de développer un logiciel de contrôle pour une vérification immédiate des résultats individuels. Ce sont là des solutions extrêmement prometteuses pour la création de logiciels pédagogiques de qualité qui seront performants pour l'avenir.

Certains " juges " inconnus n'ont malheureusement pas été du même avis. Dans le cadre d'une vaste initiative, le Ministère allemand de l'Education et des Sciences (BMBF) a dépensé environ 100 millions de dollars pour le développement de nouveaux logiciels pédagogiques, refusant toute aide de notre part, alors que nous sommes, d'après nos informations, le seul groupe allemand bénéficiant d'une réputation internationale pour les logiciels pédagogiques dans les domaines de la biologie et de la médecine.

Nous continuons à déployer nos efforts et nous avons bien avancé grâce au soutien de " transMIT ", Giessen. Nous avons déjà présenté certaines parties des programmes cLabs qui ont reçu un très bon accueil, lors de conférences internationales telles que l'exposition des méthodes pédagogiques de la " Neurosciences Meeting de 2001 " à San Diego. Les dates des expositions à venir sont données sur la page d'accueil www.cLabs.de. Afin d'avancer plus vite et de réaliser nos projets avec un logiciel de contrôle intégré, nous serions très heureux de pouvoir explorer des possibilités de coopération éventuelle. Nous sommes convaincus que ces programmes intéresseront, encore plus que la série Virtual Physiology, des centaines d'établissements et des milliers d'utilisateurs dans le monde.


Biographie

Hans Albert Braun est responsable du " Neurodynamics Group " à l'institut de physiologie de 
l'université de Marburg, en Allemagne. Il a suivi une formation d'ingénieur en électronique à la " Technical University " de Karlsruhe, et y a obtenu son diplôme d'" électrobiologie ". Il a ensuite obtenu un doctorat à la faculté de médecine de l'université de Marburg, après avoir fait une étude sur la " Biologie humaine ". Ses recherches ont inclus des expériences, des modèles d'encodage neuronal et des processus neuromodulateurs dans les récepteurs sensoriels périphériques et les neurones hypothalamiques, ainsi que des études de modélisation informatique des troubles affectifs. L'objectif est de comprendre la dynamique des systèmes sur plusieurs niveaux et d'élucider leurs principes fonctionnels communs. Fort de ces expériences, le " Neurodynamics Group " a développé des logiciels éducatifs avec des laboratoires informatiques virtuels, pour un apprentissage basé sur la pratique, ainsi que le logiciel pédagogique, primé, SimNerv. Hans A. Braun est membre de plusieurs sociétés scientifiques et a été honoré du titre de membre de la " Biophysics Division " de la " American Physical Society ".


Hans A. Braun, PhD

Institute of Physiology
University of Marburg
Deutschhausstr. 2
D-35037 Marburg
Allemagne

Tel: +49 6421 286 2307
Fax: +49 6421 286 6967
e-mail: braun@mailer.uni-marburg.de

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