Habileté spatiale et stratégies de modélisation

Ce travail de recherche s’inscrit dans le projet e-FRAN EXAPP_3D qui vise à « entretenir et accentuer l’intérêt des élèves du secondaire dans les filières techniques et professionnelles dédiées principalement à la conception et la définition de produits industriels en vue d’améliorer leur réussite scolaire » (ISAE-Supméca, 2016, paragr. 1). Pour ce faire, EXAPP_3D s’appuie sur une pédagogie par problèmes et par projets auprès d’élèves de collège, de lycées et d’écoles d’ingénieurs impliqués dans des travaux de groupe mobilisant des outils de Conception Assistée par Ordinateur (CAO). Ces expérimentations visent à aider des élèves dans des territoires en difficulté à persévérer dans leurs études et leur insertion professionnelle. Selon les partenariats inter-établissements conclus, des regroupements d’élèves impliquent des élèves de niveau collège, lycée, BTS ou école d’ingénieurs, autour de projets portant notamment sur l’agriculture urbaine, les transports ou la santé, en mobilisant des outils de CAO variables : SketchUp (Schell et Esch, 2000), Solidworks (Dassault Systèmes, 1995) ou CATIA (Dassault Systèmes, 2012). La variabilité de la distribution des observables et la probabilité qu’une approche pédagogique ait un effet sur les apprentissages, quelle que soit l’approche adoptée (Górska, 2005), oriente la recherche vers une investigation des apports de la pratique de la modélisation 3D aux habiletés spatiales (Górska, 2005 ; Martín-Dorta et al., 2008), compétences elles-mêmes corrélées à la réussite dans les études d’ingénierie (Wai et al., 2009). Le choix du terrain est orienté vers un public d’étudiants ingénieurs à partir de facteurs de calendrier, de durabilité et de potentialité de maîtrise et de contrôle des variables. Les protocoles définis sur ce public ont pour vocation à être mis à l’échelle auprès d’un public de collégiens pour vérifier la réplicabilité des résultats. Cette partie de la recherche n’a pu avoir lieu dans le cadre de la thèse en raison de la crise sanitaire.

Plus précisément, ce travail de recherche s’intéresse à caractériser les particularités, les performances et l’activité d’étudiants ingénieurs engagés dans des tâches de résolution de problèmes spatiaux à différents moments de leur parcours de formation. Les étudiants ingénieurs d’ISAE-Supméca¹ sont confrontés à des problèmes spatiaux dès la première année de leur parcours, notamment dans des enseignements dédiés à l’apprentissage de la modélisation volumique et d’outils de CAO. Bien qu’engagés dans une même formation, ces apprenants sont caractérisés par des compétences et connaissances variées, acquises notamment dans les filières post-bac qu’ils ont suivies et dans leur pratique de loisirs. Les compétences spatiales qu’ils ont développées entretiennent-elles une relation avec les tâches de modélisation volumique qu’ils vont rencontrer dans leurs études d’ingénierie ? Quelles sont les potentielles sources de développement de ces compétences ? Nous nous intéressons aussi bien aux performances relevées dans ces tâches de nature spatiale qu’à l’activité qui y est mise en œuvre.

Plusieurs études (Branoff et Dobelis, 2012 ; Sorby, 2009 ; Steinhauer, 2012) s’intéressent à la relation entre performance spatiale et performance en modélisation 3D. Ces recherches abordent l’habileté spatiale sous l’angle de la performance à des tests psychométriques visant à mesurer la visualisation spatiale, l’un des deux facteurs composant l’habileté spatiale (Tartre, 1984). Notre recherche s’intéresse à explorer l’ensemble des facteurs constitutifs de l’habileté spatiale (Tartre, 1984), au travers de la mesure de performance mais aussi de l’activité mise en œuvre dans ces tâches. Cette recherche vise à répondre à quatre questions :

1. quel est le lien entre performance à des tests spatiaux et caractéristiques individuelles ?
2. quel est le lien entre performance en modélisation et caractéristiques individuelles ?
3. les habiletés spatiales évoluent-elles suite à des enseignements de première année à ISAE-Supméca ?
4. la performance et les stratégies de modélisation évoluent-elles suite à des enseignements de première année à ISAE-Supméca ?

Pour répondre à ces questions, notre recherche s’est orientée sur la qualification de la performance de 146 étudiants ingénieurs en première année à ISAE-Supméca dans des tâches spatiales et de l’activité mise en œuvre dans ces tâches pour réaliser cette performance. Pour ce faire, nous avons mobilisé deux types de problèmes spatiaux. D’une part, ceux présentés dans des tests psychométriques visant à mesurer le résultat d’opérations spatiales mentales : le Mental Rotation Test (ou MRT, Vandenberg et Kuse, 1978) et le Revised Purdue Spatial Visualization Tests: Visualization of Rotations (ou R PSVT:R, Yoon, 2011) visent à évaluer la rotation mentale, le Mental Cutting Test (ou MCT, Board, 1939) vise à évaluer la transformation mentale, le Purdue Spatial Visualization Test: Visualization of Views (ou PSVT:V, Guay, 1976) la capacité à changer de point de vue et le Closure Flexibility Test (Concealed Figures) Form A (ou CFT, Thurstone et Jeffrey, 1956) la dissociation (Question 1). Ce faisant, nous explorons les quatre sous-facteurs spatiaux du modèle de classification de l’habileté spatiale de (Tartre, 1984). D’autre part, nous mobilisons des problèmes spatiaux présentés dans des exercices de modélisation volumique au travers d’un exercice à réaliser sur une plateforme de développement de produit en ligne (Hirschtick et al., 2014) (Question 2).

Nous incluons dans nos expérimentations des modalités d’évaluation de la performance des étudiants, ainsi que des observations de leur activité. Les tests spatiaux sont suivis de questionnaires ouverts, interrogeant les stratégies mobilisées par les étudiants (Question 1). Les exercices de modélisation sont filmés grâce à la captation de l’activité à l’écran et au filmage de la partie supérieure du corps des apprenants (Question 2).

Les données recueillies sont complétées par l’investigation de la pratique de loisirs et de logiciels de modélisation des étudiants au travers de questionnaires à choix multiples. En effet, au-delà de la performance, nous nous préoccupons d’en explorer de possibles sources de variabilité entre les apprenants (Questions 1 et 2).

Deux prises de mesure ont lieu : la première à l’arrivée des étudiants à l’école, et la seconde, après qu’ils ont suivi les enseignements du premier semestre. Ces deux prises de mesure nous permettent d’observer l’éventuelle évolution des performances et des stratégies employées par les apprenants dans les deux types de tâches spatiales suite aux enseignements (Questions 3 et 4).

Les premiers résultats concernent les habiletés spatiales et les caractéristiques individuelles (Question 1). Conformément à la littérature (Gold et al., 2018), nos résultats mettent en évidence une relation significative entre la pratique de loisirs et performance spatiale. La différenciation des loisirs révèle le rôle des loisirs dynamiques et manipulatoires dans l’enfance et l’adolescence sur le développement des compétences spatiales. Nous observons aussi une relation entre performance spatiale et pratique de modeleurs volumiques, conformément à des études antérieures (Górska, 2005, p. 203 ; Martín-Dorta et al., 2008, p. 509). En revanche, nos observations ne corroborent que partiellement la différence de performance spatiale liée au genre en faveur des hommes traditionnellement décrite dans la littérature (Albaret et Aubert, 1996 ; Maeda et Yoon, 2013) : nous n’observons pas de différence de performance aux tests de visualisation spatiale entre les hommes et les femmes de notre échantillon, et les résultats montrent que les femmes obtiennent de meilleurs résultats au test de dissociation. Ceci confirme la particularité des étudiantes spécialisées en Sciences, Technologie, Ingénierie et Mathématiques ou STIM (Agbanglanon, 2019 ; Albaret et Aubert, 1996).

L’analyse des stratégies déclarées mobilisées dans les tests spatiaux corrobore la présence de plusieurs stratégies mises en œuvre par les étudiants, que ces stratégies soient visées par les tests ou non, la combinaison de plusieurs stratégies pour répondre à une question et le changement de stratégie d’une question à une autre dans un test mesurant une compétence spatiale unique spécifique (Hegarty, 2018). Notre étude met ces résultats en évidence pour les cinq tests de notre batterie. Nos analyses révèlent que des combinaisons de stratégies spécifiques aux tests sont plus efficaces pour le MCT et le CFT, et que le changement de stratégie est bénéfique à la performance dans le MRT, le MCT et le CFT.

Relativement à notre deuxième question de recherche, les analyses réalisées confirment une corrélation entre performances spatiales et performance en modélisation (Branoff et Dobelis, 2012 ; Steinhauer, 2012). Notre étude étend cette relation traditionnellement observée avec les tests de visualisation spatiale aux tests d’orientation spatiale, et en particulier au test de dissociation. Nous mettons de plus en évidence une relation entre performance spatiale et stratégies de modélisation 3D.

Nous n’observons en revanche pas de relation entre performance en modélisation et pratique de loisirs alors que la pratique antérieure de modeleurs volumiques et les formations à contenu technologique profitent à la performance en modélisation. Ceci suggère que des formations formelles spécifiques sont nécessaires à l’acquisition de ces compétences, à la différence du développement des habiletés spatiales.

Notes de bas de page :

1. SAE-Supméca est une école d’ingénieurs spécialisée en mécanique. Les enseignements du premier semestre concernent notamment l’analyse de mécanismes, la mécanique des solides, les mathématiques appliquées et la CAO. ↩︎
2. https://dictionary.apa.org/practice-effect ↩︎