L’enseignement des sciences et technologies spatiales peut s’avérer complexe et abstrait, en particulier lorsqu’il s’adresse aux élèves du primaire et du secondaire. La nature immatérielle du sujet et la disponibilité limitée des ressources de ce domaine peut quelque fois même constituer un vrai défi pour le corps enseignant dans l’initiation de concepts élaborés. Dans ce contexte, la réalité virtuelle se révèle être un outil puissant pour simplifier et enrichir l’expérience d’apprentissage des élèves. En simulant des environnements et des situations complexes, elle offre des solutions innovantes et ludiques qui transforment autant qu’elles enrichissent l’expérience d’apprentissage.

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Une étude empirique expérimentale

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Des chercheurs de l’Université du Caire et de l’Autorité Nationale Égyptienne pour la Téléobservation et les Sciences Spatiales (NARSS) ont exploré l’utilisation de modèles de réalité virtuelle dans l’enseignement des technologies spatiales.

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L’objectif de l’étude est d’enseigner aux élèves l’utilité et la composition de sujets spatiaux 3D grâce à un support pédagogique innovant de laboratoire virtuel. En donnant la possibilité aux étudiants de manipuler et assembler des modules satellites en réalité virtuelle (VR), les chercheurs espèrent permettre aux étudiants d’appréhender plus facilement des aspects complexes de la technologie spatiale.

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Contexte et caractéristiques de l’étude

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Pour mesurer l’efficacité de l’expérience de laboratoire virtuel, une expérimentation empirique a été effectuée avec la participation d’une centaine d’élèves d’écoles égyptiennes du Nil. Les apprenants, âgés de 10 à 15 ans, ont visionné une vidéo d’animation en 3D de 5 minutes sur les technologies spatiales, et participé ensuite à une expérience de simulation en laboratoire de réalité virtuelle d’une durée de 10 minutes.

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Une expérimentation en quatre grandes phases

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L’expérience commence par la diffusion d’une vidéo d’animation de 5 mn qui campe le décor et permet une immersion rapide des élèves ; elle présente le personnage principal, ainsi que le problème auquel il est confronté. Le scénario est le suivant : le personnage extraterrestre en 3D rencontre des incidents techniques avec la caméra spectrale de son vaisseau spatial, entravant ainsi sa capacité à trouver les ressources nécessaires pour sauver sa planète. Pour résoudre ce problème, il demande l’aide de la Terre et propose de construire en collaboration avec les élèves un satellite de téléobservation.

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La phase suivante, purement didacticiel, consiste en une acclimatation des élèves à la technologie et l’environnement de réalité virtuelle. Equipés de lunettes de réalité virtuelle et de manettes, les apprenants sont plongés dans une expérience immersive dans laquelle ils explorent le laboratoire spatial virtuel et s’exercent à interagir avec les objets et outils virtuels (sélection des avatars, commandes manuelles, appréhension de la zone de laboratoire...).

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Par le bais d’hologrammes interactifs, le professeur NARSS introduit ensuite les différents types, fonctions et sous-systèmes de satellites. Il détaille pour chacun d’entre eux leur nom, leur composition tridimensionnelle, et leur fonction (satellite de télédétection, satellite météorologique, du satellite de communication et du satellite d'exploration de l'espace lointain). Le schéma tridimensionnel et l’apparence holographique de chaque soussystème a vocation à présenter aux étudiants l’objet spatial sous tous ses angles.

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La quatrième et dernière phase concerne la mission à proprement parler, définie par le professeur NARSS: chaque élève se voit attribuer un sous-système satellite spécifique (système d’alimentation ou système de communication, sous-systèmes de charge utile….).Par un système d’essais/erreurs (feu vert = bonne réponse, feu rouge = mauvaise réponse), l'étudiant doit réussir à fixer chaque pièce à sa place dans le module du soussystème attribué. Le niveau suivant est l’assemblage dans la station de contrôle de toutes les parties du satellite, son lancement et l’observation de sa performance en orbite.

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Outils et prérequis

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Pour créer un environnement de réalité virtuelle, les enseignants et les étudiants ont utilisé des outils

matériels et des logiciels spécifiques. Le matériel de réalité virtuelle comprend généralement un système dit « HMD » littéralement « affichage monté sur la tête » , plus communément appelé casque de RV (par exemple le casque HTC Vive ou le casque Oculus Quest). Deux manettes permettant aux utilisateurs d’interagir avec l’environnement virtuel, des capteurs de mouvements peuvent également parfois compléter le matériel de base. Selon le système de réalité virtuelle utilisé, les casques sont alimentés et raccordés à des ordinateurs ou fonctionnent en autonomie simple.

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Dans ce qu’il peut synthétiser des dernières avancées technologiques, le moteur de jeu Unity participe a améliorer et vulgariser le développement de la réalité virtuelle et permet la conception d’environnements immersifs personnalisables. Dans cette expérimentation, il y a donc deux composants principaux pour commencer le jeu : l'éditeur Unity et le casque et les contrôleurs HTC Vive.

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L’efficacité prouvée du laboratoires virtuel

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Comme développé, l’expérience de laboratoire virtuel a été conçue pour enseigner aux étudiants les types de satellites, les sous-systèmes, les processus d’assemblage et d’intégration, les lancements de fusées et l’observation de satellites. Cela a été rendu possible par la combinaison de différents modules fonctionnant ensemble pour créer un environnement d’apprentissage homogène et immersif. Ces modules comprennent :

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Module Scénarios

Ce module définit la séquence des événements et des composants qui constituent l’expérience du laboratoire virtuel. Il permet le développement progressif du niveau et assure un impact sur le jeu aux élèves.

Module caméras

Ce module comprend plusieurs caméras qui capturent différentes vues d’affichage sur les écrans de l’environnement virtuel. Chaque caméra possède une interface graphique spécifique et contribue à l’immersion globale de l’expérience.

Module satellite

Ce module régit le comportement et la fonctionnalité du satellite virtuel. Il comprend des systèmes pour le

mouvement, la santé, les données, les dommages et la détection de la mise hors service. Par exemple, la santé et l’état du satellite sont affichés sur des écrans, permettant aux élèves de surveiller leur performance.

Module « Player »

Ce module représente l’utilisateur VR dans l’environnement virtuel. Il comprend des composants tels que le casque VR, les manettes, les collisionneurs et la fonctionnalité de téléportation. Le module joueur permet aux élèves de naviguer dans l’espace virtuel et d’interagir avec des objets.

Module de mouvement

Ce module régit le mouvement des utilisateurs dans l’environnement virtuel. Il comprend des composants tels que des corps rigides, la vitesse de déplacement et les positions de destination. Ce module assure une retransmission des mouvements réaliste et contrôlé des utilisateurs.

Module de téléportation et de porte

Ce module permet la fonctionnalité de téléportation dans l’environnement virtuel. Il comprend des déclencheurs invisibles et des points de téléportation qui permettent aux élèves de se déplacer entre différentes zones. D’autre part, il contrôle l’ouverture et la fermeture des portes en fonction de la proximité du joueur.

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Résultats mesurés de l’étude

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Afin de qualifier précisément les résultats de cette expérience, les bénéfices apportés aux apprenants se sont mesurés en deux temps. Une première étape en amont de l’étude, où les étudiants ont été soumis à une évaluation de cinq questions simplifiées sur les satellites pour mesurer l'étendue de leurs connaissances. Et une deuxième étape à l’issue de l’expérience, où les étudiants ont répondu au même questionnaire mais pour évaluer l’acquisition de leur connaissances. Afin d’apprécier les ressentis et impressions de chaque élève, il a également été demandé à chaque participant de renseigner leur niveau de satisfaction des vis-à-vis de cette expérience.

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L’exploitation des questionnaires et données des participants révèlent les principaux résultats suivants :

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Amélioration des compétences acquises

Il a été démontré qu’une mission de 10 minutes dans un laboratoires virtuel améliore considérablement les

résultats d’apprentissage. En offrant une expérience pratique et des simulations interactives, la réalité virtuelle permet aux étudiants une compréhension plus fine de concepts difficiles. Dans cette étude 30 élèves ont amélioré leurs connaissances spatiales de 50 %, tandis que pour 80 d’entre eux, il a été observé une progression de 60 à 100 % .

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Expérience engageante et interactive

La nature immersive de cette nouvelle technologie favorise un engagement intense et une concentration des élèves. La réalité virtuelle procure également un sentiment d’excitation et d’émerveillement, rendant le processus d’apprentissage plus attrayant pour les étudiants. 80% des répondants ont déclaré n'avoir rencontré aucune difficulté à suivre l'expérience.

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Applications réelles

Les simulations de réalité virtuelle (VR) peuvent reproduire des scénarios réels, dans un environnement sûr et contrôlé. Dans cette expérience, elle a permis aux étudiants d’expérimenter la technologie spatiale — souvent inaccessible par la méthode d’apprentissage traditionnelle — favorisant un meilleur niveau de compréhension du cycle de cette technologie. L’expérience en laboratoire virtuel est par ailleurs bien acceptée par les élèves : dans cette enquête de terrain, 67% d’entre eux ont déclaré n'avoir eu aucun problème avec les lunettes VR et l’utilisation de l’application.

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Attention et concentration développées

Les casques VR éliminent les distractions visuelles et auditives, favorisant une nette amélioration du taux de d’attention et de concentration, ainsi qu’une meilleure réceptivité du matériel pédagogique. Cet environnement d’apprentissage ciblé permet aux enseignants d’avoir plus d’interactions individuelles avec les élèves et de faciliter la compréhension des consignes énoncées. 75% ont déclaré que l'information était « simple et intéressante » à intégrer.

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L’analyse de ces principaux résultats démontre une nette amélioration des connaissances et compétences des étudiants sur les satellites, avec un axe de progression très significatif de leur performance pré et post expérience du laboratoire virtuel. Le questionnaire recueilli à l’issue de l’enquête relève par ailleurs un niveau élevé de satisfaction des participants. Lesquels ont exprimé leur enthousiasme et leur engagement tout au long de la simulation et manifesté un vif intérêt pour le caractère immersif et interactif de l’environnement d’apprentissage. 85 % des étudiants souhaitent réitérer l'expérience.

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La lecture des résultats de cette étude empirique démontrent l’impact positif de la réalité virtuelle dans l’éducation aux technologies spatiales. En offrant aux élèves une expérience d’apprentissage immersive et pratique, la réalité virtuelle a amélioré leur compréhension, leur engagement et leur intérêt pour le sujet. En immergeant les étudiants dans une expérience d’apprentissage ludique et interactive, elle favorise une compréhension plus profonde et une meilleure rétention des connaissances. Les données récoltées démontrent l’efficacité de la réalité virtuelle dans l’amélioration des connaissances et la satisfaction des élèves concernant le processus d’apprentissage.

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Plus globalement, l’expérience de laboratoire virtuel décrite dans cette expérimentation met en évidence le potentiel de la réalité virtuelle dans l’exploration et l’enseignement de concepts complexes. Alors que cette nouvelle technologie continue d’être exploitée, tous champs d’investigations confondus, elle s’inscrit comme un outil pédagogique puissant à même d’inspirer la prochaine génération de scientifiques, d’ingénieurs et d’enseignants. Cette expérimentation de laboratoire virtuel offre quant à elle de nouvelles perspectives pour développer la « gamification » dans la dispense d’un enseignement. Elle est la démonstration, aussi, que l’introduction de jeux éducatifs dans des environnements interactifs et immersifs captive les élèves, améliore leur compréhension et stimule leur pensée imaginative.

Au vu des bénéfices de son utilisation, il est fort à parier que l’utilisation de la réalité virtuelle soit, dans les prochaines années, massivement intégrée dans les programmes d’enseignement.