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5.5 : Niveau 3 : Prise en compte des spécificités évolutives - Biologie

5.5 : Niveau 3 : Prise en compte des spécificités évolutives - Biologie


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Lorsque nous comparons des modèles de diversité d'espèces et de particularités communautaires, nous traitons généralement chaque espèce comme étant d'égale importance, mais le sont-elles ? Et si une zone pauvre en espèces était en fait assez distincte des autres sur le plan de l'évolution ? De même, que se passe-t-il si votre site le plus riche en espèces est composé d'un essaim d'espèces qui n'ont que récemment divergé les unes des autres et qui sont assez similaires aux espèces présentes sur un autre site ? Ces questions font allusion à des problèmes de diversité biologique à des niveaux taxonomiques supérieurs. Ce n'est qu'en examinant les relations évolutives sous-jacentes entre les espèces que nous pouvons obtenir cette perspective supplémentaire. Nous avons fourni en Chiffre (PageIndex{1}) une phylogénie des familles d'araignées présentes dans vos collections (une véritable phylogénie pour ces familles basée en grande partie sur Coddington et Levi 1991). En bref, les familles les plus proches (et les espèces qui s'y trouvent) sont situées sur des branches plus proximales au sein de la phylogénie. Sur la base des relations évolutives entre ces familles, modifierez-vous l'une des conclusions que vous avez tirées sur la priorisation des parcelles forestières à protéger en fonction des seuls modèles de diversité des espèces ? Si oui, pourquoi?

Chiffre (PageIndex{1})


Réponse sexuelle masculine humaine aux stimuli olfactifs

La sagesse populaire veut que divers arômes soient sexuellement attrayants, mais aucune donnée n'existe démontrant les effets réels d'odeurs spécifiques sur l'excitation. Les
la présente étude rapporte les effets de 30 parfums différents sur l'excitation sexuelle (réponse sexuelle masculine) de 31 volontaires masculins en comparant leur flux sanguin pénien, mesuré par l'indice pénien brachial, tout en portant des masques parfumés et en portant des masques vierges non odorisés. Les odeurs trouvées généralement agréables dans les enquêtes précédentes ont été sélectionnées pour cette étude. Chacun a produit une certaine augmentation du flux sanguin du pénis, l'odeur combinée de lavande et de tarte à la citrouille a produit la plus grande augmentation (40 %). Une multitude de mécanismes peuvent médier ces effets. Une application potentielle d'odorants pour augmenter le flux sanguin du pénis chez les patients atteints d'impuissance vasculogène mérite d'être étudiée. Les odeurs qui peuvent diminuer le flux sanguin du pénis n'ont pas encore été trouvées pour une utilisation possible dans le traitement des déviants sexuels.

Mots clés: Odeurs, réponse sexuelle

Introduction

Historiquement, certaines odeurs ont été considérées comme aphrodisiaques, un sujet de beaucoup de folklore et de pseudoscience. Dans les vestiges volcaniques de Pompéi, des pots de parfum étaient conservés dans les chambres conçues pour les relations sexuelles. Les Égyptiens de l'Antiquité se baignaient aux huiles essentielles en préparation des rendez-vous Les Sumériens séduisaient leurs femmes avec des parfums. Une relation entre l'odorat et l'attirance sexuelle est soulignée dans les rituels traditionnels chinois, et pratiquement toutes les cultures ont utilisé le parfum dans leurs rites de mariage. Dans la mythologie, les pétales de rose symbolisaient le parfum, et l'œuvre "défloraison" décrit l'acte sexuel initial. Les personnages farfelus de la populaire Commedia dell’Arte italienne de la Renaissance portaient des masques à long nez pour symboliser leur dotation phallique, une tradition qui persiste dans la figure de Punch. La littérature dramatique regorge de références sournoises à la taille nasale comme symbole de la taille phallique, comme dans la célèbre pièce Cyrano De Bergerac.

La psychanalyse a fait grand cas de ces associations. Fliess, dans son concept de nez phallique, décrit formellement un lien sous-jacent entre le nez et le phallus (1). La psychologie jungienne relie également les odeurs et le sexe.

Dans le monde moderne, la promotion et l'utilisation omniprésentes de parfums, d'eaux de Cologne et d'après-rasage en tant qu'attraits romantiques ont généré un chiffre d'affaires de plusieurs milliards de dollars (2). Et les arts populaires se sont également emparés du thème liant l'olfaction et le sexe. Le film Scent of a Woman dépeint l'importance de l'odorat et de l'attirance sexuelle dans notre société, tout comme le roman récent Parfumerie.

Le lien important entre les odeurs et le sexe parmi diverses périodes historiques et cultures implique un niveau élevé d'importance évolutive. Freud (3) a suggéré que les odeurs sont de si puissants inducteurs de sentiments sexuels que la répression des sensations olfactives est nécessaire à la civilisation.

L'anatomie confirme le lien entre les odeurs et le sexe : la zone du cerveau à travers laquelle nous ressentons les odeurs, le lobe olfactif, fait partie du système limbique, le cerveau émotionnel (4), la zone à travers laquelle les pensées et les désirs sexuels sont issus. (5) Brill (6) suggère que les gens s'embrassent pour rapprocher leurs nez, afin qu'ils puissent se sentir (le baiser esquimau). Ou peut-être qu'ils s'embrassent pour se boucher afin de pouvoir se goûter, car la plupart de ce que nous appelons le goût dépend de l'olfaction. (7)

En discutant des odeurs et du sexe, nous devons commencer par les oiseaux et les abeilles. Classiquement, les abeilles, les mites et d'autres insectes sont connus pour libérer des phéromones, des aérosols odorants qui attirent le sexe opposé. (8) Une femelle peut libérer une phéromone dans l'air qui attire un mâle jusqu'à un mile de distance, améliorant ses changements de la procréation. De même, des phéromones existent dans tout le règne animal dans les genres d'insectes, de primates sous-humains et de primates (9) au profit de l'évolution de l'espèce. L'existence de phéromones humaines n'est pas claire, mais des fondements théoriques soutiennent leur présence, car les structures qui existent dans tout le règne animal semblent également être présentes chez l'homme. À l'intérieur du cerveau humain, près du sommet du nez se trouve une caractéristique anatomique qui nous donne des raisons de croire que les phéromones humaines existent : l'organe voméronasal. (10) Sa fonction est inconnue, mais chez les primates sous-humains, c'est la zone où les phéromones agissent pour augmenter les chances de procréation. C'est là que les vomérophérines humaines se lient. (11) (12)

Lorsque nous faisons de l'exercice, nous transpirons par les glandes endocrines. (13) Mais lorsque nous sommes gênés ou excités sexuellement, nous transpirons à travers les glandes apocrines qui libèrent des stéroïdes à haute densité (14) sous les bras et autour des organes génitaux, leur rôle est inconnu. Chez les primates sous-humains, les mêmes glandes apocrines libèrent des phéromones. (14) Si ces glandes fonctionnent de la même manière chez l'homme, cela pourrait expliquer pourquoi lorsqu'une femme lève les bras vers sa tête exposant ses aisselles, son geste est considéré comme sexuellement provocateur - cette charmante grotte regorge de surprises intrigantes. )

La preuve physiologique de l'importance des odeurs dans l'excitation sexuelle est double : d'abord, lors de l'excitation sexuelle, l'engorgement du nez induit le développement de courants de Foucault (comme de petites tornades). Ensuite, comme moins d'air va directement aux poumons (15), plus de phéromones ou d'attractifs sexuels peuvent atteindre l'épithélium olfactif (16) et l'odorat est plus aigu. La respiration par la bouche pendant l'excitation sexuelle est la preuve d'un engorgement nasal et maximise le contact avec les stimulants et les phéromones. Deuxièmement, la capacité olfactive chez les femmes, généralement meilleure que celle des hommes (16-19), est à son maximum pendant l'ovulation, peut-être pour détecter toute phéromone présente. Une capacité olfactive accrue à ce moment peut expliquer pourquoi les femmes périovulatoires ont tendance à avoir plus d'expériences sexuelles. Une stimulation olfactive éventuellement accrue entraîne une augmentation de l'activité sexuelle. (20)

L'observation clinique soutient l'existence de phéromones chez l'homme, comme en témoigne l'effet de colocation à l'université (21-22). Les femmes qui emménagent dans des dortoirs réservés aux femmes ont, à mi-parcours, synchronisé leurs cycles d'ovulation avec les autres femmes de la salle. Cela indique qu'une phéromone libérée par une femme peut entraîner les autres dans un modèle de dominance. Le même phénomène existe dans les petits bureaux où les femmes travaillent ensemble.

Comme preuve supplémentaire de l'existence des phéromones, les étudiants masculins ont été invités à évaluer des photos de femmes portant des masques sans odeur ou avec une phéromone féminine postulée (androstérone). Les hommes avec des phéromones féminines postulées dans leurs masques ont décrit les femmes comme semblant plus amicales et plus jolies que celles portant des masques non odorants (23).

Lors d'une étude en Angleterre, une possible phéromone masculine a été placée sous certains bureaux dans une salle de classe, puis des photos ont été prises en continu pour surveiller l'endroit où les élèves étaient assis. Les étudiantes avaient tendance à s'asseoir près des bureaux où la phéromone masculine supposée était placée (24). Lorsqu'on leur a demandé pourquoi elles s'asseyaient là, les filles ont répondu que "ça semblait être le bon endroit pour s'asseoir".

Les phéromones peuvent être non seulement des attractifs sexuels, mais aussi des marqueurs territoriaux, par exemple, un chien établit sa domination dans sa cour en y urinant (25). Dans une étude portant sur un dortoir universitaire pour hommes, une phéromone masculine supposée a été placée sous des toilettes spécifiques qui ont ensuite été surveillées (24). Les hommes avaient tendance à éviter les stalles où la phéromone mâle postulée était placée, ce qui semble suggérer que l'odeur avait l'effet d'un marqueur territorial.

Ces expériences, bien sûr, ne prouvent pas que les phéromones humaines existent. Pourtant, les sociétés de parfumerie commercialisent leurs interprétations de phéromones, contenant souvent du musc, une phéromone du cerf porte-musc mâle. Marilyn Miglan a nommé un parfum "Phéromone", mais son parfum est un mélange floral (26).

Diverses cultures favorisent diverses odeurs. Aux États-Unis, les femmes se coupent les poils axillaires parce que cette odeur corporelle est considérée comme impure. Mais en Europe de l'Est, l'odeur est considérée comme sexuellement provocante et les follicules axillaires sont laissés vierges. Alex Comfort l'appelle le bouquet de la femme (27).

Les preuves médicales établissent un lien entre l'odorat et la réponse sexuelle. Dans une étude, plus de 17 pour cent des patients présentant des déficits olfactifs avaient développé un dysfonctionnement sexuel (28).

Une relation existe sans aucun doute entre les fonctions olfactives et sexuelles, son mécanisme reste cependant à découvrir. Dans la présente expérience, nous étudions l'impact des stimuli olfactifs ambiants sur la réponse sexuelle chez le mâle humain.

Méthode

Participants

Les sujets alphabétisés en anglais ont été recrutés par sollicitation sur des émissions de radio rock classique. Trente et un hommes âgés de 18 à 6 ans se sont portés volontaires.

Les mesures

Tous les sujets ont subi des tests olfactifs avec le test d'identification des odeurs de l'Université de Pennsylvanie (UPSIT), un test d'identification des odeurs à choix forcé, à choix forcé, à gratter et à renifler (29) et le test d'odeur de Chicago, un test de détection et d'identification à trois odeurs (30-32 ). Ils ont été interrogés sur la préférence sexuelle, les pratiques sexuelles et l'hédonisme des odeurs.

Au cours de l'expérience, l'excitation sexuelle des sujets a été déterminée à l'aide de l'index pénien brachial (33) avec le Floscope Ultra Pneumoplethymosgraph selon le protocole du fabricant (34). Avec cet instrument, les pressions artérielles pénienne et brachiale ont été mesurées et leur rapport calculé, contrôlant ainsi les effets systémiques. Cela a permis une évaluation non invasive spécifique du flux sanguin du pénis.

Procédure

Vingt-quatre substances odorantes différentes ont été choisies pour cette étude sur la base de leurs propriétés hédoniques généralement positives dans les enquêtes précédentes. De plus, 6 combinaisons de 2 des plus appréciées d'entre elles ont été choisies. Les effets des 30 odeurs sur le flux sanguin du pénis ont été évalués en comparant l'indice pénien brachial d'un sujet portant un masque odorisé à son indice moyen lorsqu'il portait un masque vierge non odorisé. Cela a été fait pour chaque sujet pour chaque odeur.

Les sujets ont subi l'évaluation comme suit : après avoir été attachés au pléthysmographe, trois minutes ont été accordées pour l'acclimatation, puis un masque de contrôle vierge a été appliqué pendant une minute et l'index pénien brachial a été enregistré. Le masque vierge a ensuite été retiré et un masque odorisé appliqué. Ainsi, 30 masques odorisés ont été appliqués au hasard en double aveugle, avec une pause de trois minutes entre les masques pour éviter l'accoutumance aux odeurs. Chaque masque a été porté pendant une minute et l'index brachial du pénis a été enregistré. Enfin, un masque vierge supplémentaire a été appliqué pendant une minute et l'index pénien brachial a de nouveau été enregistré.

Analyses statistiques

La signification statistique est définie par une valeur p <=0,05. L'analyse des données comprend ces tests non paramétriques : test de rang signé, test de somme de rang de Wilcoxan et coefficient de corrélation de rang de Spearman (35-36).

Résultats

Résultats

Tous les sujets vivaient à Chicago ou en banlieue. La plupart (77 %) étaient célibataires et leur âge moyen était de 30 ans, la médiane de 29 ans avec une fourchette de 18 à 64 ans. La plupart (87 %) étaient hétérosexuels, avaient un partenaire sexuel régulier (74 %), avaient eu des rapports sexuels quatre fois au cours des 30 jours précédant l'expérience et considéraient leur vie sexuelle assez satisfaisante (tableau 1).

Pour évaluer leur fonction érectile physiologique, les sujets ont été invités à évaluer la fréquence de leurs érections matinales sur une échelle de 1 (absent) à 5 (chaque matin). Leur réponse médiane était de 3 (tableau 1). La plupart (84 %) ont déclaré n'avoir jamais eu d'érection induite par les odeurs (tableau 1).

Les caractéristiques olfactives des sujets sont présentées dans le tableau II. Les scores UPSIT ont été classés en fonction des normes publiées pour l'âge et le sexe. Compte tenu de ceux-ci, 52% des scores des sujets étaient normaux et 48% étaient microsmiques, c'est-à-dire hyposmiques (déficient en sensibilité aux odeurs) ou anosmiques (sans odorat). Plus de la moitié des sujets (55 %) avaient ressenti un rappel provoqué par une odeur, un phénomène dans lequel un arôme déclenche des souvenirs et des sentiments associés (37). Plus de la moitié (61 %) étaient des non-fumeurs. La plupart (71 %) utilisaient de l'eau de Cologne, et parmi ceux qui avaient un partenaire sexuel régulier, 83 % des partenaires utilisaient un parfum.

Effets des odeurs sur le flux sanguin du pénis

Chacune des 30 odeurs a produit une augmentation du débit sanguin du pénis (tableau III). L'odeur combinée de lavande et de tarte à la citrouille a eu le plus grand effet, augmentant le flux sanguin pénien médian de 40 %. Le deuxième en termes d'efficacité était la combinaison de réglisse noire et de beignet, qui a augmenté le flux sanguin pénien médian de 31,5%. Les odeurs combinées de tarte à la citrouille et de beignet venaient en troisième position, avec une augmentation de 20 %. La moins stimulante était la canneberge, qui augmentait le flux sanguin du pénis de 2 %. Aucune des odeurs n'a réduit le débit sanguin du pénis.

Les hommes ayant une olfaction inférieure à la normale ne différaient pas significativement de ceux ayant une olfaction normale, et les fumeurs ne différaient pas significativement des non-fumeurs. Cependant, parmi les sujets ayant une capacité olfactive normale, plusieurs corrélations sont significatives : des indices brachiaux péniens plus élevés sont en corrélation avec un âge plus élevé et avec des réponses plus importantes à l'odeur de vanille (p = 0,05) le niveau de satisfaction sexuelle auto-évalué est en corrélation avec des réponses plus importantes à l'odeur. de fraise (p=0,05) et la fréquence des rapports sexuels sont en corrélation avec des réponses plus importantes aux odeurs de lavande (p=0,03), d'épices orientales (p=0,02) et de cola (p=0,03).

Discussion

Nous avons émis l'hypothèse que les odeurs hédoniquement positives, puisqu'elles ont d'autres effets comportementaux (38-40), augmenteraient le flux sanguin du pénis. Nos données appuient cette hypothèse.

Il existe une multitude de mécanismes par lesquels cela peut se produire. Les odeurs pourraient induire une réponse conditionnée pavlovienne rappelant aux sujets leurs partenaires sexuels ou leurs aliments préférés (41). Parmi les personnes élevées aux États-Unis, les odeurs de produits de boulangerie sont les plus susceptibles d'induire un état appelé rappel évoqué olfactif (37). Peut-être que les odeurs dans la présente étude ont évoqué un rappel nostalgique avec un état d'humeur positif associé qui a affecté le flux sanguin du pénis (38-40). Ou les odeurs peuvent simplement être relaxantes. Dans d'autres études, la lavande, qui a augmenté les ondes alpha postérieurement, un effet associé à un état de relaxation (42-43). Dans un état d'anxiété réduite, les inhibitions peuvent être supprimées et ainsi le flux sanguin du pénis augmenté.

Il a été démontré que l'odeur du jasmin augmente les ondes bêta de manière frontale, ce qui est associé à la vigilance (42). Il est possible que les odeurs réveillent le système d'activation réticulaire, rendant les sujets plus attentifs à tout signal sexuel, augmentant ainsi le flux sanguin du pénis.

Autre possibilité, les odeurs peuvent agir neurophysiologiquement. MacLean (5) a démontré que la stimulation du noyau septal chez le singe écureuil induit l'érection. Une voie directe relie le bulbe olfactif au noyau septal (44), par conséquent, il semble anatomiquement correct que l'odeur puisse avoir un impact sur le noyau septal pour induire une érection avec un flux sanguin pénien accru. Cela semble être une forte possibilité dans notre étude, car le seul sujet qui a dormi pendant toute l'expérience a montré la plus grande augmentation du flux sanguin du pénis en réponse aux odeurs combinées de lavande et de tarte à la citrouille.

Nous soupçonnons un mécanisme physiologique direct, mais nous ne pouvons pas exclure un impact possible des odeurs sur les rêves du sujet qui a dormi pendant l'expérience, peut-être avec le contenu de ses rêves influençant le flux sanguin du pénis.

Peut-être que les odeurs peuvent augmenter l'agressivité, par la stimulation du noyau septal. L'augmentation du débit sanguin du pénis peut être une mesure d'un « effet de voisinage » d'une agression induite plutôt que d'une excitation sexuelle directe (45).

Nous ne pouvons pas non plus exclure un effet parasympathique généralisé, augmentant le flux sanguin du pénis plutôt qu'une excitation sexuelle spécifique (46). Autant que possible, nous avons contrôlé cela en mesurant la pression artérielle brachiale coïncidant avec le débit sanguin du pénis.

Les odeurs spécifiques qui ont affecté le flux sanguin du pénis dans notre expérience étaient principalement des odeurs de nourriture. Plus directement, Rediwhip (c) a été utilisé de manière périgénétique, indiquant à nouveau une forte relation entre le sexe, la nourriture et l'odorat. Cela confirme-t-il l'axiome selon lequel le chemin vers le cœur d'un homme (et l'affection sexuelle) passe par son estomac ? Une hypothèse évolutionniste explique pourquoi il en est ainsi. Après une chasse réussie, les humains des tribus primitives se sont rassemblés autour de la nourriture (47). Là, peut-être ont-ils eu le plus d'opportunités de procréer. Une augmentation du débit sanguin du pénis en réponse aux odeurs de nourriture serait alors un avantage. Une découverte récente sur les bonobos - que lorsqu'ils ont trouvé une source de nourriture abondante, ils ont cessé d'avoir des relations sexuelles avant de manger, peut-être pour réduire les querelles à propos de la nourriture - fournit une autre explication de l'association entre la nourriture et le sexe (48).

Les humains peuvent détecter environ 10 000 odeurs (8). Des études indiquent que beaucoup d'entre elles affectent le comportement, c'est-à-dire que certaines odeurs florales peuvent améliorer l'apprentissage (49) et le comportement d'achat (50), l'odeur de pomme verte peut atténuer les sentiments de claustrophobie (51), la fumée de barbecue peut induire une réaction de fuite (51) et l'inhalation de certains les odeurs de nourriture peuvent contribuer à la perte de poids (52). Des odeurs autres que celles examinées dans cette étude pourraient éventuellement avoir un effet plus important sur le flux sanguin du pénis.

La sensation olfactive peut influencer l'arc réflexe sexuel comme mentionné, les phéromones humaines, qui déclenchent une réponse sexuelle par le biais d'interconnexions olfactives-limbiques directes, sont spéculatives (53-55). L'érection pénienne, la mesure de l'excitation sexuelle masculine (56) est une manifestation de l'écoulement des noyaux septaux dans le système limbique et de l'organe terminal des fibres olfactives (57). En fonction du système nerveux autonome (58), l'engorgement du pénis est contrôlé par le flux artériel à travers l'artère pudendale et les petites artères vers le pénis. Le premier signe physique d'excitation sexuelle est un changement dans le flux sanguin du pénis.Le flux sanguin vers le pénis augmente avec l'excitation sexuelle et diminue avec l'inhibition sexuelle (59).

Nous ne pouvons certainement pas considérer les odeurs de notre expérience comme des phéromones humaines, c'est pourquoi nous pensons qu'elles ont agi par d'autres voies que les phéromones, dont on pense qu'elles provoquent un effet endocrinologique sur le cerveau. Une phéromone postulée, l'androsténol, un stéroïde à haute densité, agirait très lentement sur le système endocrinien (60). Les odeurs qui affectent le flux sanguin du pénis agissent immédiatement sur le cerveau ou ont un effet psychologique immédiat, contrairement aux phéromones postulées.

Ces données préliminaires suggèrent des utilisations potentielles des odeurs comme modalité de traitement. L'impuissance, dans 10 à 15 % des cas, est organique, la cause la plus fréquente étant vaculogène, généralement due au diabète (57-61). Les recherches actuelles devraient déterminer si un traitement non invasif avec des odeurs peut améliorer le flux sanguin du pénis dans le diabète.

Bien que nous n'ayons trouvé aucune odeur pour réduire le flux sanguin du pénis, nous avons émis l'hypothèse qu'une telle odeur pourrait être trouvée, peut-être un stimulant du trijumeau avec une odeur hédonique très négative. Une telle odeur pourrait être utilisée pour diminuer le flux sanguin du pénis chez les délinquants sexuels, tels que les pédophiles, dans le cadre de leur entraînement de déconditionnement ou d'aversion.

Alors que nous n'avons étudié que des sujets masculins, des odeurs analogues pourraient sans aucun doute affecter les femmes. Des études parallèles du débit sanguin vaginal sont en cours.


Systèmes d'évaluation scientifique de l'État (2006)

jeans ce rapport, la commission a souligné l'importance de considérer le système d'évaluation dans son ensemble. Cependant, comme cela a été discuté au chapitre 2, le succès d'un système dépend fortement de la nature et de la qualité des éléments qui le composent, dans ce cas, les éléments, stratégies, tâches, situations ou observations qui sont utilisés pour recueillir des preuves de l'apprentissage des élèves et les méthodes utilisées pour interpréter la signification de la performance des élèves sur ces mesures.

Conformément à la conclusion du comité selon laquelle l'enseignement et l'évaluation des sciences devraient être fondés sur la façon dont la compréhension des élèves des sciences se développe au fil du temps avec un enseignement compétent, nous avons adopté une approche développementale de l'évaluation des sciences. Cette approche considère que l'apprentissage des sciences n'est pas simplement un processus d'acquisition de plus de connaissances et de compétences, mais plutôt un processus de progression vers des niveaux de compétence plus élevés à mesure que les nouvelles connaissances sont liées aux connaissances existantes et que de nouvelles .

Ce chapitre commence par un bref aperçu des principales influences sur la réflexion du comité sur l'évaluation. Il se termine par un résumé des travaux de deux équipes de conception qui ont utilisé les stratégies et les outils décrits dans ce rapport pour développer des cadres d'évaluation autour de deux idées scientifiques : la théorie atomique-moléculaire et les concepts sous-jacents à la biologie évolutive et à la sélection naturelle.

Le chapitre n'offre pas un examen complet de la conception des tests, ni un manuel pratique pour la construction d'un test, un certain nombre d'excellents livres fournissent ce type d'informations (voir, par exemple, Downing et Haladyna, sous presse Irvine et Kyllonen, 2002) . Le but de ce chapitre est plutôt d'aider les personnes concernées par la conception des évaluations scientifiques à conceptualiser le processus de manière à

peut être quelque peu différent de leur pensée actuelle. Le comité souligne qu'en refaisant leurs approches de la conception de l'évaluation, les États devraient, à tout moment, adhérer aux Normes pour les tests éducatifs et psychologiques (American Educational Research Association, American Psychological Association et National Council on Measurement in Education, 1999).

APPROCHE DE DÉVELOPPEMENT DE L'ÉVALUATION

Une approche développementale de l'évaluation est le processus de suivi des progrès des élèves dans un domaine d'apprentissage au fil du temps afin que des décisions puissent être prises sur les meilleures façons de faciliter leur apprentissage ultérieur. Il s'agit de savoir ce que les élèves savent maintenant et ce qu'ils doivent savoir pour progresser. Cette approche de l'évaluation utilise une progression d'apprentissage (voir le chapitre 3) ou un autre continuum pour fournir un cadre de référence pour le suivi des progrès des élèves au fil du temps. 1 L'encadré 5-1 est un exemple de carte des progrès scientifiques, un continuum qui décrit à grands traits une voie possible pour le développement de la compréhension des sciences au cours de 13 années d'enseignement. Il peut également être utilisé pour suivre et rapporter les progrès des élèves de manière similaire à celles utilisées par les médecins ou les parents pour suivre les changements de taille et de poids au fil du temps (voir Encadré 5-2).

L'encadré 5-3 illustre une autre conception d'une carte de progrès pour l'apprentissage des sciences. Le tableau qui l'accompagne décrit les attentes des élèves à chaque niveau du continuum dans quatre domaines de la matière scientifique : Terre et au-delà (EB) Énergie et changement (EC) Vie et vie (LL) et Matériaux naturels et transformés (NPM) . Les créateurs de cette progression d'apprentissage (et le comité) soulignent que toute conception d'un continuum d'apprentissage est toujours hypothétique et devrait être continuellement vérifiée et affinée par la recherche empirique et les expériences des maîtres enseignants qui observent les progrès des étudiants réels.

Une approche développementale implique l'utilisation de multiples sources d'information, recueillies dans une variété de contextes, qui peuvent aider à faire la lumière sur les progrès des élèves au fil du temps. Ces approches peuvent prendre diverses formes, allant de tests à grande échelle développés et administrés en externe à des observations et conversations informelles en classe, ou à l'une des nombreuses stratégies décrites tout au long de ce rapport. Certaines des mesures pourraient être standardisées et fournir ainsi des informations comparables sur le rendement des élèves qui pourraient être utilisées à des fins de responsabilisation, d'autres pourraient n'être utiles qu'à un élève et à son enseignant. Une approche développementale fournit un cadre pour réfléchir à ce qu'il faut évaluer et quand des construits particuliers peuvent être évalués, et comment évaluer

Celles-ci peuvent également être appelées variables de progrès, cartes de progrès, cartes de progrès du développement ou volets.

ENCADRÉ 5-1
Carte des progrès scientifiques

Interpréter des données expérimentales impliquant plusieurs variables. Relie les informations représentées dans le texte, les graphiques, les figures, les diagrammes. Fait des prédictions basées sur des données et des observations. Démontre une compréhension croissante des connaissances et des concepts scientifiques plus avancés (par exemple, le changement chimique des calories).

Démontre une compréhension des faits et principes scientifiques intermédiaires et les applique à la conception d'expériences et à l'interprétation des données. Interpréter des figures et des diagrammes utilisés pour transmettre des informations scientifiques. Déduit des relations et tire des conclusions en appliquant des faits et des principes, en particulier des sciences physiques.

A une compréhension des procédures expérimentales utilisées en science, telles que la conception d'expériences, le contrôle de variables et l'utilisation d'équipements. Identifie les meilleures conclusions tirées des données sur un graphique et la meilleure explication des phénomènes observés. Comprend certains concepts dans une variété de domaines de contenu scientifique, y compris les sciences de la vie, physiques, terrestres et spatiales.

Présente une connaissance croissante des sciences de la vie, en particulier des systèmes biologiques humains, et applique certains principes de base des sciences physiques, y compris la force. Affiche également une compréhension initiale de certaines des méthodes de raisonnement de base utilisées en science, y compris la classification et l'interprétation des énoncés.

Connaît certains faits scientifiques généraux du type de ceux qui peuvent être tirés d'expériences quotidiennes. Par exemple, présente des connaissances rudimentaires concernant l'environnement et les animaux.

SOURCE : LaPointe, Mead et Phillips (1989). Réimprimé avec l'autorisation de l'Educational Testing Service.

La définition de la compréhension différerait à mesure que les élèves acquièrent une plus grande connaissance du contenu, des capacités de réflexion plus poussées et plus complexes, et une compréhension plus approfondie des concepts et de la manière dont ils peuvent être appliqués dans une variété de contextes.

Par exemple, la théorie moléculaire cinétique est une grande idée qui n'apparaît généralement pas dans les normes ou les évaluations de l'État avant le lycée. Cependant, des concepts importants qui sont essentiels à la compréhension de cette théorie devraient se développer plus tôt. Champagne et al. (National Assessment Governance Board, 2004) 2

ENCADRÉ 5-2
Détails pour une carte de progression

Interpréter des données expérimentales impliquant plusieurs variables. Relie les informations représentées dans le texte, les graphiques, les figures, les diagrammes. Fait des prédictions basées sur des données et des observations. Démontre une compréhension croissante des connaissances et des concepts scientifiques plus avancés (par exemple, le changement chimique des calories).

Démontre une compréhension des faits et principes scientifiques intermédiaires et les applique à la conception d'expériences et à l'interprétation des données. Interpréter des figures et des diagrammes utilisés pour transmettre des informations scientifiques. Déduit des relations et tire des conclusions en appliquant des faits et des principes, en particulier des sciences physiques.

A une compréhension des procédures expérimentales utilisées en science, telles que la conception d'expériences, le contrôle de variables et l'utilisation d'équipements. Identifie les meilleures conclusions tirées des données sur un graphique et la meilleure explication des phénomènes observés. Comprend certains concepts dans une variété de domaines de contenu scientifique, y compris les sciences de la vie, physiques, terrestres et spatiales.

Présente une connaissance croissante des sciences de la vie, en particulier des systèmes biologiques humains, et applique certains principes de base des sciences physiques, y compris la force. Affiche également une compréhension initiale de certaines des méthodes de raisonnement de base utilisées en science, y compris la classification et l'interprétation des énoncés.

Connaît certains faits scientifiques généraux du type de ceux qui peuvent être tirés d'expériences quotidiennes. Par exemple, présente des connaissances rudimentaires concernant l'environnement et les animaux.

REMARQUE : Cela représente une progression d'apprentissage pour la littératie scientifique sur 13 ans d'enseignement. La flèche à gauche indique une expertise croissante. Le centre de la progression fournit une description générale des types de compréhensions et de pratiques que les élèves de chaque niveau démontreraient. Pour être utiles à l'élaboration de l'évaluation, ces descriptions doivent être décomposées plus précisément.

SOURCE : LaPointe et al. (1989). Réimprimé avec l'autorisation de l'Educational Testing Service.

L'illustration suivante montre comment les premières compréhensions sous-tendent des manières plus sophistiquées de comprendre les grandes idées.

Les enfants observent l'eau &ldquoapparaître&rdquo d'une casserole chauffée sur la cuisinière et des gouttelettes d'eau &ldquoapparaître&rdquo à l'extérieur des verres d'eau glacée. Ils remarquent les relations entre le chaud et le froid et le comportement de l'eau. Ils développent des modèles d'eau, de chaleur et de froid qu'ils utilisent pour donner un sens à leurs observations. Ils pensent que l'eau à l'extérieur du verre vient de l'intérieur du verre. Mais leur raisonnement est remis en cause par l'observation que des gouttelettes ne se forment pas sur un verre d'eau à température ambiante. L'eau disparaît-elle vraiment ? Si oui, d'où viennent les gouttelettes d'eau lorsqu'un couvercle est mis sur le pot, et pourquoi l'eau continue-t-elle de disparaître lorsque le couvercle est en place ?

Ces observations, modèles de la matière, de la chaleur et du froid, sont les fondements des compréhensions sophistiquées de la théorie cinétique-moléculaire. L'eau est composée de molécules, elles sont en mouvement, et certaines ont suffisamment d'énergie pour s'échapper de la surface de l'eau. Ce modèle de la matière permet d'expliquer l'observation selon laquelle l'eau s'évapore des récipients ouverts. Comprendre la température comme une mesure de l'énergie cinétique moyenne des molécules fournit un modèle pour expliquer pourquoi la vitesse à laquelle l'eau s'évapore dépend de la température. Plus la température de l'eau est élevée, plus le taux d'évaporation est élevé.

Cette description simple montre qu'à différents points du continuum d'apprentissage, les compréhensions et les compétences qui doivent être abordées par l'enseignement et évaluées sont fondamentalement différentes.

INFLUENCES SUR LA RÉFLEXION DU COMITÉ

Le comité s'est appuyé sur une variété de sources pour réfléchir à la conception des évaluations des sciences du développement, y compris le travail des équipes de conception décrites au chapitre 2 et celles décrites ci-dessous. Nous avons également examiné les travaux menés par diverses autres personnes intéressées par ce type d'évaluation (Wiggins et McTighe, 1998 CASEL, 2005 Wilson 2005 Wilson et Sloane 2000 Wilson et Draney 2004), les travaux de l'Australian Council for Educational Research (Masters et Forster , 1996) et les travaux qui ont guidé la création des cartes des brins incluses dans le Atlas de la culture scientifique (AAAS, 2001). 3

Le triangle d'évaluation

Les spécialistes de la mesure décrivent l'évaluation comme un processus de raisonnement à partir de preuves&mdashof utilisant une performance représentative pour déduire un ensemble plus large de compétences ou

ENCADRÉ 5-3
Carte de progrès élaborée pour l'énergie et le changement

Carte de progression pour l'apprentissage des sciences

Cadre élaboré

Science > La Terre et au-delà, Énergie et changement, Vie et vie, Matériaux naturels et transformés

Terre et au-delà

Les élèves comprennent l'impact de l'environnement physique sur Terre et de sa position dans l'univers sur notre mode de vie.

L'étudiant: Assiste et répond aux caractéristiques environnementales locales.

L'étudiant: Comprend que les caractéristiques environnementales facilement observables, y compris le soleil et la lune, peuvent influencer la vie.

L'étudiant: Comprend comment certains changements dans l'environnement observable, y compris le ciel, influencent la vie.

L'étudiant: Comprend les changements et les modèles dans différents environnements et espaces, et les relie à l'utilisation des ressources.

Énergie et changement

Les élèves comprennent le concept scientifique de l'énergie et expliquent que l'énergie est essentielle à notre existence et à notre qualité de vie.

L'étudiant: Démontre une conscience que l'énergie est présente dans la vie quotidienne.

L'étudiant: Comprend que l'énergie est nécessaire à différentes fins dans la vie.

L'étudiant: Comprend les façons dont l'énergie est transférée et que les gens utilisent différents types d'énergie à des fins différentes.

L'étudiant: Comprend les modèles d'utilisation de l'énergie et certains types d'énergie pour fer.

La vie et la vie

Les élèves comprennent leur propre biologie et celle des autres êtres vivants, et reconnaissent l'interdépendance de la vie.

L'étudiant: Reconnaît leurs caractéristiques personnelles et communique leurs besoins fondamentaux.

L'étudiant: Comprend que les gens sont des êtres vivants, ont des caractéristiques et des fonctions au fil du temps.

L'étudiant: Comprend que les besoins, les caractéristiques et les changements des êtres vivants sont liés et changent avec le temps.

L'étudiant: Comprend que les êtres vivants ont des caractéristiques qui forment des systèmes qui déterminent leur interaction avec l'environnement.

Matériaux naturels et transformés

Les élèves comprennent que la structure des matériaux détermine leurs propriétés et que le traitement des matières premières donne lieu à de nouveaux matériaux aux propriétés et aux usages différents.

L'étudiant: Explore et réagit aux matériaux et à leurs propriétés.

L'étudiant: Comprend que différents matériaux sont utilisés dans la vie et que les matériaux peuvent changer.

L'étudiant: Comprend que les matériaux ont des utilisations et des propriétés différentes et subissent des changements différents.

L'étudiant: Comprend que les propriétés, les changements et les utilisations des matériaux sont liés.

L'étudiant: Comprend les processus qui peuvent aider à expliquer et à prévoir les interactions et les changements dans les systèmes et environnements physiques.

L'étudiant: Comprend les modèles et les concepts qui expliquent les systèmes terrestres et spatiaux et que l'utilisation des ressources est liée à l'histoire géologique et environnementale de la Terre et de l'univers.

L'étudiant: Comprend comment les concepts et les principes sont utilisés pour expliquer les changements géologiques et environnementaux sur la Terre et les systèmes à grande échelle de l'univers.

L'étudiant: Utilise des concepts et des théories pour relier les processus et les structures moléculaires et microscopiques aux effets macroscopiques au sein et entre les systèmes terrestres et spatiaux et comprend que ces systèmes sont dynamiques.

L'étudiant: Utilise des concepts, des modèles et des théories pour comprendre les effets holistiques et les implications impliquant des cycles de changement ou d'équilibre au sein des systèmes terrestres et spatiaux.

L'étudiant: Comprend que l'énergie interagit différemment avec différentes substances et que cela peut affecter le

L'étudiant: Comprend les modèles et les concepts utilisés pour expliquer le transfert et la transformation

L'étudiant: Comprend les principes et les concepts utilisés pour expliquer le transfert et la transformation

L'étudiant: Comprend les relations entre les composants d'un transfert d'énergie et

L'étudiant: Applique des cadres conceptuels et théoriques pour évaluer les relations entre les composants de

utilisation et transfert d'énergie.

mation d'énergie dans une interaction énergétique.

mation d'énergie qui se produit dans les systèmes énergétiques.

système de transformation et prédit les effets du changement.

un système énergétique et aux systèmes dans leur ensemble.

L'étudiant: Comprend que les systèmes peuvent interagir et que de telles interactions peuvent conduire au changement.

L'étudiant: Comprend les modèles et les concepts utilisés pour expliquer les processus qui relient les systèmes et conduisent au changement.

L'étudiant: Comprend les concepts et les principes utilisés pour expliquer les effets du changement sur les systèmes des êtres vivants.

L'étudiant: Utilise des concepts et des idées et comprend les théories qui relient les structures et les fonctions vitales à la survie à l'intérieur et entre les systèmes.

L'étudiant: Applique sa compréhension des concepts, des modèles et des théories pour interpréter les systèmes holistiques et les processus impliqués dans l'équilibre et la survie de ces systèmes.

L'étudiant: Comprend que les propriétés, les changements et les utilisations des matériaux sont liés à leur structure particulaire.

L'étudiant: Comprend les modèles et les concepts utilisés pour expliquer les propriétés à partir de leur structure microscopique.

L'étudiant: Comprend les concepts et les principes utilisés pour expliquer les changements physiques et chimiques dans les systèmes et les familles de réactions chimiques.

L'étudiant: Utilise des concepts interdépendants pour expliquer et prédire les processus chimiques et les relations entre les matériaux et les familles de matériaux. Ils utilisent des concepts atomiques et symboliques dans leurs explications des preuves macroscopiques.

L'étudiant: Choisit des concepts et des principes théoriques appropriés et les utilise pour conceptualiser un cadre ou une compréhension holistique afin d'expliquer les propriétés, les relations et les modifications apportées aux matériaux.

SOURCE : Conseil des programmes d'études de l'Australie-Occidentale. Réimprimé avec autorisation.

connaissance. Le processus de collecte de preuves pour étayer les inférences sur ce que les élèves savent est fondamental pour toutes les évaluations, depuis les questionnaires en classe, les tests de rendement standardisés ou les programmes de tutorat informatisés, jusqu'aux conversations que les élèves ont avec leurs enseignants pendant qu'ils travaillent sur une expérience (Mislevy, 1996).Le Comité du CNRC sur les fondements cognitifs de l'évaluation a décrit ce processus de raisonnement à partir de données probantes sous la forme de ce qu'il a appelé le triangle d'évaluation (NRC 2001b, pp. 44&ndash51) (voir la figure 5-1).

Le triangle repose sur la cognition, une "théorie ou un ensemble de croyances sur la façon dont les élèves représentent les connaissances et développent des compétences dans un domaine" (NRC, 2001b, p. 44). En d'autres termes, la conception de l'évaluation commence par une compréhension spécifique non seulement des connaissances et des compétences à évaluer, mais également de la manière dont la compréhension se développe dans le domaine d'intérêt. Cet élément du triangle relie l'évaluation aux constatations sur l'apprentissage abordées au chapitre 2. Dans la terminologie de la mesure, les aspects de la cognition et de l'apprentissage qui sont les cibles de l'évaluation sont appelés le construit.

Un deuxième coin du triangle est l'observation, les types de tâches que les élèves seraient invités à effectuer et qui pourraient fournir des preuves de ce qu'ils savent et peuvent faire. La conception et la sélection des tâches doivent être étroitement liées aux inférences spécifiques sur l'apprentissage des élèves que l'évaluation est censée soutenir. Il est important de noter ici que bien qu'il existe une variété de questions auxquelles certains types d'évaluation pourraient répondre, une définition explicite des questions sur lesquelles des informations sont nécessaires doit jouer un rôle dans la conception des tâches.

Le troisième coin du triangle est l'interprétation, les méthodes et les outils utilisés pour raisonner à partir des observations qui ont été recueillies. La méthode utilisée pour un test standardisé à grande échelle pourrait être un modèle statistique, tandis que pour une salle de classe

FIGURE 5-1 Le triangle d'évaluation.

évaluation, il pourrait s'agir d'une méthode moins formelle et plus pratique pour tirer des conclusions sur la compréhension des élèves sur la base de l'expérience de l'enseignant. Ce sommet du triangle peut également être appelé modèle de mesure.

Le but de présenter ces trois éléments sous la forme d'un triangle est de souligner qu'ils sont interdépendants. Dans le contexte de toute évaluation, chacune doit avoir un sens par rapport aux deux autres pour que l'évaluation produise des résultats solides et significatifs. Par exemple, les questions qui dictent la nature des tâches qu'on demande aux élèves d'effectuer devraient se développer logiquement à partir d'une compréhension des façons dont l'apprentissage et la compréhension se développent dans le domaine évalué. L'interprétation des preuves produites devrait, à son tour, fournir des informations sur les progrès des élèves qui correspondent à ces mêmes compréhensions. Ainsi, le processus de conception d'une évaluation est un processus dans lequel des décisions spécifiques doivent être prises en compte à la lumière de chacun de ces trois éléments.

Du concept à la mise en œuvre

Le triangle d'évaluation est un concept qui décrit la nature de l'évaluation, mais il doit être élaboré pour être utile à la construction de mesures. En utilisant le triangle comme fondement, plusieurs chercheurs différents ont développé des processus d'élaboration d'évaluations qui tiennent compte de la logique qui sous-tend le triangle d'évaluation. Ces approches peuvent être utilisées pour créer tout type d'évaluation, d'une évaluation en classe à un programme de test d'État à grande échelle. Ils sont inclus ici pour illustrer l'importance d'utiliser une approche systématique de la conception de l'évaluation dans laquelle on considère dès le départ ce qui doit être mesuré, ce qui constituerait une preuve des compétences des élèves et comment donner un sens aux résultats. Un processus systématique contraste avec ce que le comité a trouvé comme une stratégie typique pour la conception d'une évaluation. Ces approches plus courantes ont tendance à se concentrer sur la création de &ldquogood items&rdquo indépendamment de toutes les autres facettes importantes de la conception.

Conception d'évaluation centrée sur les preuves

Mislevy et ses collègues (voir par exemple, Almond, Steinberg et Mislevy, 2002 Mislevy, Steinberg et Almond, 2002 et Steinberg et al., 2003) ont développé et utilisé une approche&mdashevidence-centered evaluation design (ECD)&mdash pour la construction de évaluation fondée sur des arguments probants. La forme générale de l'argument qui sous-tend le DPE (et le triangle d'évaluation discuté ci-dessus ainsi que le processus de cartographie des concepts de Wilson discuté ci-dessous) a été décrite par Messick (1994, p. 17) :

Une approche centrée sur le construit commencerait par se demander quel complexe de connaissances, de compétences ou d'autres attributs doit être évalué, vraisemblablement parce qu'ils sont liés à des objectifs explicites ou implicites d'enseignement ou sont autrement valorisés par

société. Ensuite, quels comportements ou performances devraient révéler ces constructions, et quelles tâches ou situations devraient susciter ces comportements ? Ainsi, la nature du construit guide la sélection et la construction de tâches pertinentes ainsi que le développement rationnel de critères et de rubriques de notation basés sur le construit.

Le DPE repose sur la compréhension que le contexte et le but d'une évaluation pédagogique affectent les connaissances et les compétences à mesurer, les conditions dans lesquelles les observations seront faites et la nature des preuves qui seront recueillies pour étayer l'inférence voulue. Ainsi, il est reconnu que de bonnes tâches d'évaluation ne peuvent pas être développées de manière isolée, mais que l'évaluation doit plutôt être conçue dès le départ autour des inférences prévues, des observations et des performances qui sont nécessaires pour soutenir ces inférences, les situations qui susciteront ces performances, et une chaîne de raisonnement qui les reliera.

Le DPE utilise un cadre conceptuel d'évaluation (CAF) qui se décompose en plusieurs éléments (modèles) et une architecture à quatre processus pour les systèmes de prestation d'évaluation (voir Encadré 5-4). Le CAF sert de modèle pour la conception de l'évaluation qui spécifie les connaissances et les compétences à mesurer, les conditions dans lesquelles les observations seront faites et la nature des preuves qui seront recueillies pour étayer les inférences prévues. Mislevy et ses collègues soutiennent qu'en brisant les spécifications en plus petits morceaux, ils peuvent être réassemblés de différentes manières.

ENCADRÉ 5-4
Les principales composantes du cadre conceptuel d'évaluation de la conception de l'évaluation centrée sur les preuves et de l'architecture à quatre processus

SOURCE : Amande, Steinberg et Mislevy (2002) Mislevy, Steinberg et Amande (2002).

ent configurations à des fins différentes. Par exemple, une évaluation qui vise à fournir des informations diagnostiques sur des élèves individuels aurait besoin d'un modèle d'élève plus fin qu'une évaluation conçue pour fournir des informations sur la façon dont les groupes d'élèves progressent dans le respect des normes de l'État. Les principes du DPE autorisent l'utilisation des mêmes tâches à ces différentes fins (si le modèle de tâche est rédigé de manière suffisamment générale) mais exigent que le modèle de preuves diffère pour fournir le niveau de détail qui soit cohérent avec l'objectif de l'évaluation.

Comme indiqué tout au long de ce rapport, les évaluations sont réalisées de diverses manières et le DPE fournit un cadre générique pour la livraison des tests qui permet aux évaluateurs de planifier diverses manières de réaliser une évaluation. L'architecture à quatre processus pour la livraison de l'évaluation décrit les processus que les opérations de tout système d'évaluation doivent contenir sous une forme ou une autre (voir Encadré 5-4). Ces processus sélectionnent les tâches, les éléments ou les activités qui composent l'évaluation (le processus de sélection des activités), la sélection d'un moyen de présenter les tâches aux candidats et de recueillir leurs réponses (le processus de présentation) la notation des réponses aux éléments ou aux tâches individuels (les réponses traitement) accumuler des preuves de la performance des élèves sur plusieurs éléments et tâches pour produire des notes de niveau d'évaluation (ou de section) (processus de notation récapitulative). Le DPE s'appuie sur des modèles de mesure spécifiques associés à chaque tâche pour accomplir le processus de notation sommaire.

Pour un exemple de la façon dont le cadre ECD a été utilisé pour créer un prototype d'évaluation basée sur des normes, voir Une introduction au projet BioMasse (Steinberg et al., 2003). L'approche de l'évaluation basée sur les normes qui est décrite dans cet article passe des déclarations de normes dans un domaine de contenu à des déclarations sur les affirmations concernant les capacités des élèves que les normes impliquent, aux types de preuves dont on aurait besoin pour justifier ces affirmations, et enfin à l'élaboration d'activités d'évaluation qui suscitent de telles preuves (p. 9).

Mislevy a également écrit sur la façon dont l'approche DPE peut être utilisée dans un contexte d'évaluation de programme (Mislevy, Wilson, Ercikan et Chudowsky, 2003). Plus récemment, lui et un groupe de collègues ont travaillé sur un système de spécification et de développement de tests informatisés basé sur cette approche, appelé PADI (Principled Assessment Design for Inquiry) (Mislevy et Haertel, 2005).

Approche de modélisation de construction

Wilson (2005) développe également le triangle d'évaluation en proposant une autre approche de conceptualisation&mdasha de modélisation de construction&mdash qui utilise quatre blocs de construction pour créer différentes évaluations qui pourraient être utilisées à tous les niveaux d'un système éducatif (voir Figure 5-2). Wilson conçoit les blocs de construction comme un guide du processus de conception de l'évaluation, plutôt que comme une approche par étapes. Il est clair que chacune des étapes devra peut-être être revue plusieurs fois au cours du développement.

FIGURE 5-2 Éléments constitutifs de l'évaluation.

ment afin de les affiner et de les réviser en réponse aux commentaires. Nous utilisons ces éléments constitutifs comme cadre pour illustrer le processus de conception de l'évaluation. Les blocs de construction sont :

Spécification de la ou des constructions&mdashles définitions de travail de ce qui doit être mesuré. 4

Conception de l'article&mdasha description de toutes les formes possibles d'éléments et de tâches qui peuvent être utilisées pour obtenir des preuves sur les connaissances et la compréhension des élèves incorporées dans les constructions.

L'espace des résultats&mdasha description des niveaux qualitativement différents de réponses aux items et aux tâches (généralement en termes de scores) qui sont associés à différents niveaux de performance (les différents niveaux de performance sont souvent illustrés par des exemples de travaux d'élèves).

Le modèle de mesure&mdashla base sur laquelle les évaluateurs et les utilisateurs associent les scores obtenus sur les éléments et les tâches à des niveaux de performance particuliers&mdash, c'est-à-dire que le modèle de mesure doit relier les réponses notées au concept.

Wilson appelle ce bloc &ldquoconstruct maps.&rdquo

APPLICATION DES BLOCS DE CONSTRUCTION

Le comité a constaté que lors de la conception d'une évaluation, les diverses tâches décrites par les éléments constitutifs seraient accomplies différemment selon l'objectif de l'évaluation et la personne responsable de sa conception. Par exemple, dans la conception de l'évaluation en classe, les enseignants seraient très probablement responsables de tous les aspects de la conception de l'évaluation, de l'identification du concept à l'interprétation des résultats. Cependant, lorsqu'un test à grande échelle est en cours de développement, le personnel de l'État identifie généralement les concepts à mesurer, 5 et les sous-traitants professionnels peuvent assumer la responsabilité principale du développement des éléments, de la notation et de l'application d'un modèle de mesure et parfois en collaboration avec l'État. (Patz, Reckase et Martineau, 2005, discutent plus en détail de la division du travail.)

Spécification de la conception

La clé du développement de toute évaluation, qu'il s'agisse d'une évaluation en classe intégrée à l'enseignement ou d'un test d'état à grande échelle administré en externe, est une spécification claire du concept à mesurer. Le construit peut être large ou spécifique, par exemple, la culture scientifique est un construit, tout comme la connaissance de la multiplication à deux chiffres. Le chapitre 3 a traité, dans le contexte de l'enquête d'évaluation, de la difficulté d'élaborer une évaluation lorsque les concepts ne sont pas clairement spécifiés et que leurs significations ne sont pas clairement comprises.

Toute évaluation basée sur des normes devrait commencer par les normes de contenu de l'État. Cependant, la plupart des documents de normes spécifient des constructions en utilisant des termes tels que &ldquknowing&rdquo ou &ldquounderstanding.&rdquo Par exemple, les normes d'état peuvent spécifier que les étudiants devront savoir que la chaleur se déplace selon un flux prévisible d'objets plus chauds vers des objets plus froids jusqu'à ce que tous les objets soient à la même température, ou que les élèves comprendre interactions entre les êtres vivants et leur environnement. Mais, comme nous l'avons vu au chapitre 4, la plupart des normes nationales ne fournissent pas de définitions opérationnelles de ces termes. Ainsi, une norme qui appelle les étudiants à &ldquounderstand&rdquo est ouverte à une large interprétation, à la fois sur ce qui devrait être enseigné et sur ce qui serait accepté comme preuve que les étudiants ont atteint l'objectif. Le comité exhorte les États à suivre les suggestions du chapitre 4 pour la rédaction de normes afin qu'elles véhiculent plus que des constructions abstraites.

Le comité a constaté que performances d'apprentissage, un terme adopté par un certain nombre de chercheurs&mdashReiser (2002) et Perkins (1998) entre autres&mdash fournissent un moyen de clarifier ce que l'on entend par une norme en suggérant des liens entre les connaissances conceptuelles dans les normes et les capacités et compréhensions associées qui peuvent être observées et évaluées . Les performances d'apprentissage sont un moyen d'élaborer

Dans un programme de test à grande échelle, les constructions seraient spécifiées sous la forme d'un cadre de test.

ENCADRÉ 5-5
Des pratiques scientifiques qui servent de base aux performances d'apprentissage

Certaines des pratiques clés rendues possibles par les connaissances scientifiques sont les suivantes :

Définir et décrire. Définir et décrire implique de rappeler de mémoire une définition d'un concept ou d'un principe ou de décrire comment un concept se rapporte à d'autres idées. Par exemple, un élève pourrait décrire le flux d'énergie dans un écosystème. Ou un étudiant pourrait décrire comment utiliser une sonde lumineuse en expliquant à un autre étudiant comment l'utiliser pour mesurer la lumière atteignant une plante.

Représenter des données et interpréter des représentations. La représentation des données implique l'utilisation de tableaux et de graphiques pour organiser et afficher des informations à la fois qualitativement et quantitativement. Interpréter des représentations implique d'être capable d'utiliser des légendes et d'autres informations pour déduire ce que quelque chose représente ou ce que signifie un modèle particulier. Par exemple, un élève pourrait construire un tableau pour montrer les propriétés de différents matériaux ou un graphique qui relie les changements de volume de l'objet au poids de l'objet. Inversement, un élève pourrait interpréter un graphique pour déduire quelle taille d'objet était la plus lourde ou une ligne droite avec une pente positive pour signifier qu'il y avait une proportionnalité entre les variables.

Identifier et classer. L'identification et la classification impliquent l'application de la connaissance des catégories à des exemplaires particuliers. Lors de l'identification, les élèves peuvent ne considérer qu'un seul exemplaire (cet objet particulier est-il fait de cire ?) alors qu'en classant les élèves organisent des ensembles d'exemplaires. Par exemple, ils pourraient trier les éléments selon qu'ils sont de la matière ou non selon qu'ils sont solides, liquides ou gazeux ou par type de substance.

Mesure. La mesure est une forme simple de modélisation mathématique : comparer un élément à une unité standard et analyser une dimension comme une somme itérative d'unités qui couvrent l'espace de mesure.

Trier/comparer le long d'une dimension. L'ordre implique d'aller au-delà de la simple catégorisation (par exemple, lourd contre léger) pour conceptualiser une dimension continue. Par exemple, les élèves pourraient trier les échantillons en fonction du poids, du volume, de la température, de la dureté ou de la densité.

Quantifier. La quantification implique de pouvoir mesurer (quantifier) ​​des grandeurs physiques importantes telles que le volume, le poids, la densité et la température à l'aide d'unités standard ou non standard.

notation sur les normes de contenu en spécifiant ce que les étudiants devraient être capables de faire lorsqu'ils atteignent une norme. Par exemple, les performances d'apprentissage peuvent indiquer que les élèves devraient être capables de décrire des phénomènes, d'utiliser des modèles pour expliquer des modèles de données, de construire des explications scientifiques ou de tester des hypothèses. Smith, Wiser, Anderson, Krajcik et Coppola (2004) ont décrit une variété de compétences spécifiques 6 qui

Smith et al. (2004) appellent ces &ldquopratiques.&rdquo

Prédire/inférer. Prédire/inférer implique d'utiliser la connaissance d'un principe ou d'une relation pour faire une inférence sur quelque chose qui n'a pas été directement observé. Par exemple, les élèves peuvent utiliser le principe de conservation de la masse pour prédire quelle devrait être la masse de quelque chose après évaporation ou ils peuvent calculer le poids d'un objet à partir de la connaissance de son volume et de la densité d'un matériau qui le compose.

Poser des questions. Les élèves identifient et posent des questions sur des phénomènes qui peuvent être résolus par des enquêtes scientifiques. Les jeunes apprenants poseront souvent des questions plus descriptives, mais au fur et à mesure que les apprenants acquièrent de l'expérience et de la compréhension, ils devraient poser plus de questions relationnelles et de cause à effet.

Concevoir et mener des enquêtes. La conception d'une enquête comprend l'identification et la spécification des variables qui doivent être manipulées, mesurées et contrôlées. des observations seront faites. La conduite d'une enquête comprend une gamme d'activités et la collecte de l'équipement, l'assemblage de l'appareil, la création de graphiques et de tableaux, le suivi des procédures et la réalisation d'observations qualitatives ou quantitatives.

Construire des explications factuelles. Construire des explications implique d'utiliser des théories, des modèles et des principes scientifiques ainsi que des preuves pour construire des explications de phénomènes, cela implique également d'écarter des hypothèses alternatives.

Analyser et interpréter les données. En analysant et en interprétant les données, les élèves donnent un sens aux données en répondant aux questions : &ldquoQue signifient les données que nous avons collectées ?&rdquo &ldquoComment ces données m'aident-elles à répondre à ma question ?&rdquo L'interprétation et l'analyse peuvent inclure la transformation des données en partant d'un tableau de données à un graphique, ou en calculant un autre facteur et en trouvant des modèles dans les données.

Évaluer/réfléchir/argumenter. Évaluer les données : ces données appuient-elles cette affirmation ? Ces données sont-elles fiables ? Évaluer la mesure : est-ce que ce qui suit est un exemple de bonne ou de mauvaise mesure ? Évaluer un modèle : ce modèle pourrait-il représenter un liquide ? Réviser un modèle : étant donné un modèle pour le gaz, comment le modifierait-on pour représenter un solide ? Comparer et évaluer des modèles : dans quelle mesure un modèle donné rend-il compte d'un phénomène ? Ce modèle &ldquoobey&rdquo les &ldquoaxiomes&rdquo de la théorie ?

pourraient fournir des preuves de compréhension dans des conditions spécifiques et fournir des exemples de ce à quoi pourraient ressembler des preuves de compréhension (voir Encadré 5-5).

L'exemple suivant illustre comment on pourrait élaborer une norme pour créer des performances d'apprentissage et identifier des cibles pour l'évaluation. Considérez la norme suivante qui est adaptée de Points de repère pour la littératie scientifique (AAAS, 1993, p. 124) sur la survie différentielle : [L'élève comprendra que] Les organismes individuels avec certains traits sont plus susceptibles que d'autres de survivre et d'avoir une progéniture. Le benchmark fait clairement référence à l'un des mécanismes centraux de l'évolution.

tion, le concept souvent appelé « survie des plus aptes ». Pourtant, la norme n'indique pas quelles compétences et connaissances pourraient être nécessaires pour y parvenir. En revanche, Reiser, Krajcik, Moje et Marx (2003) amplifient cette norme unique en trois performances d'apprentissage liées :

Étudiants identifier et représenter mathématiquement la variation d'un trait dans une population.

Étudiants émettre une hypothèse la fonction qu'un trait peut remplir et Explique comment certaines variations du trait sont avantageuses dans l'environnement.

Étudiants prédire, en utilisant des preuves, comment la variation du trait affectera la probabilité que les individus de la population survivent à un stress environnemental.

Reiser et ses collègues soutiennent que cette élaboration de la norme spécifie plus clairement les compétences et les connaissances dont les élèves ont besoin pour atteindre la norme et définit donc mieux le construit à évaluer. Par exemple, en indiquant que les élèves sont censés représenter la variation mathématiquement, l'élaboration suggère l'importance de concepts mathématiques particuliers, tels que la distribution. Sans l'élaboration, la nécessité de cet aspect important peut ou non avoir été déduite par un développeur d'évaluation.

Sélection des tâches

Les décisions concernant la stratégie d'évaluation particulière à utiliser ne doivent pas être dictées par le désir d'utiliser un type d'élément particulier ou un autre, ou par des hypothèses non testées sur l'utilité de types d'éléments spécifiques pour exploiter des compétences cognitives spécifiques. Ces décisions devraient plutôt être fondées sur l'utilité de l'élément ou de la tâche pour obtenir des preuves de la compréhension des élèves du construit d'intérêt et pour faire la lumière sur les progrès des élèves le long d'un continuum représentant la manière dont l'apprentissage lié au construit pourrait raisonnablement se développer.

L'évaluation des performances est une approche qui offre un grand potentiel pour évaluer les capacités de réflexion et de raisonnement complexes, mais les items à choix multiples ont aussi leurs points forts. Bien que de nombreuses personnes reconnaissent que les items à choix multiples sont un moyen efficace et efficient de déterminer dans quelle mesure les élèves ont acquis des connaissances de base sur le contenu, beaucoup ne reconnaissent pas qu'ils peuvent également être utilisés pour mesurer des processus cognitifs complexes. Par exemple, le Force Concept Inventory (Hestenes, Wells et Swackhamer, 1992) est une évaluation qui utilise des items à choix multiples mais qui exploite des processus cognitifs de niveau supérieur. Inversement, de nombreux éléments de réponse construits utilisés dans les évaluations d'état à grande échelle n'exploitent que des compétences de bas niveau, par exemple en demandant aux étudiants de démontrer des connaissances déclaratives et de se rappeler des faits ou de fournir des réponses en un mot. Metzenberg (2004) fournit des exemples de ce phénomène tirés des tests scientifiques actuels.

Un élément ou une tâche est utile s'il suscite des preuves importantes du construit qu'il est censé mesurer. Des groupes d'items ou des séries de tâches devraient être assemblés en vue de leur capacité collective à faire la lumière sur l'éventail complet de la science

les connaissances, les compréhensions et les compétences du contenu incluses dans la construction telles qu'elles sont élaborées par les performances d'apprentissage associées.

Création d'articles 7 des performances d'apprentissage

Lorsqu'elles sont utilisées dans un processus de conception à rebours, les performances d'apprentissage peuvent guider l'élaboration de stratégies d'évaluation. La conception à l'envers commence par une compréhension claire de la construction. Il se concentre ensuite sur ce que seraient des preuves convaincantes ou des démonstrations d'apprentissage (le comité appelle ces performances d'apprentissage) et l'examen de ce à quoi ressembleraient les preuves de compréhension.

L'encadré 5-6 illustre le processus de conception à rebours en étendant une norme aux performances d'apprentissage et en utilisant les performances d'apprentissage pour développer des tâches d'évaluation qui correspondent à la norme. Pour chaque performance d'apprentissage, plusieurs tâches d'évaluation sont fournies pour illustrer comment plusieurs mesures du même construit peuvent fournir une estimation plus riche et plus valide de l'atteinte de la norme par un élève. Il est possible d'imaginer que certaines de ces tâches pourraient être utilisées dans l'évaluation en classe tandis que d'autres qui ciblent la même norme pourraient être incluses dans une évaluation à grande échelle à l'échelle de l'État. Smith et al. (2004), ont illustré ce processus plus en détail dans leur article en décrivant les performances d'apprentissage pour une série de normes K&ndash8 sur la théorie atomique-moléculaire. Leurs ensembles de tâches comprennent des éléments à choix multiples et des éléments de performance qui conviennent à une variété d'objectifs d'évaluation, des tests annuels à grande échelle aux évaluations qui peuvent être intégrées à l'enseignement.

Pour chaque tâche d'évaluation incluse dans l'encadré 5-6, les distracteurs (réponses incorrectes) qui peuvent faire la lumière sur les idées fausses des élèves sont également affichés, car les distracteurs peuvent fournir des informations sur ce qui est nécessaire pour que l'apprentissage des élèves progresse. Une stratégie de conception d'articles développée par Briggs, Alonzo, Schwab et Wilson (2004), qu'ils appellent Ordered Multiple Choice (OMC), développe ce principe.

Une caractéristique unique des items OMC est qu'ils sont conçus de manière à ce que chacun des choix de réponses possibles soit lié aux niveaux de développement de la compréhension des élèves, facilitant l'interprétation diagnostique des réponses des élèves. Les items de la MOC fournissent des informations sur la compréhension développementale des élèves qui peuvent ne pas être disponibles à partir des items à choix multiples traditionnels. En outre, ils sont efficaces à administrer et à noter, fournissant ainsi des informations qui peuvent être fournies rapidement et de manière fiable aux écoles, aux enseignants et aux étudiants. Briggs et al. (2004) voient le potentiel de cette approche dans la création d'évaluations améliorées à grande échelle, mais ils notent qu'une recherche et un développement considérables sont encore nécessaires.

Item est utilisé ici pour désigner toute tâche, condition ou situation qui fournit des informations sur la compréhension ou la réussite des élèves.

BOÎTE 5-6
Un processus de conception à l'envers : élaboration de normes par le biais de performances d'apprentissage et élaboration de tâches d'évaluation connexes

À la suite des activités de la 5e et de la 8e année, tous les élèves devraient comprendre que les substances réagissent chimiquement de manière caractéristique avec d'autres substances pour former de nouvelles substances ayant différentes propriétés caractéristiques (National Research Council, 1996, Content Standard B5-8:1B). 1

Clarification supplémentaire de la norme :

Les substances ont des propriétés distinctes et sont constituées d'un seul matériau. Une réaction chimique est un processus dans lequel de nouvelles substances sont fabriquées à partir de substances anciennes. Un type de réaction chimique se produit lorsque deux substances sont mélangées et qu'elles interagissent pour former de nouvelles substances. Les propriétés des nouvelles substances sont différentes de celles des anciennes substances. Lorsque les scientifiques parlent de "substances anciennes" qui interagissent dans la réaction chimique, ils les appellent réactifs. Lorsque les scientifiques parlent de nouvelles substances produites par la réaction chimique, ils les appellent des produits. Les élèves différencient le changement chimique des autres changements, tels que le changement de phase, le changement morphologique, etc.

Connaissances préalables dont les étudiants ont besoin :

Il est essentiel que les élèves comprennent la signification des propriétés et que les substances aient les mêmes propriétés partout, peu importe d'où l'échantillon de la substance est prélevé.

Les élèves doivent comprendre le terme substance.

Les élèves doivent savoir que de nombreux matériaux différents peuvent être fabriqués à partir des mêmes matériaux de base (il s'agit d'une norme de 3e et 5e année).

Idée fausse possible que les élèves pourraient avoir :

Une substance &ldquonew&rdquo apparaît parce qu'elle a été déplacée d'un autre endroit (par exemple, la fumée du bois).

La matière disparaît (par exemple, brûle, se dissout).

Les réactions chimiques se produisent chaque fois que quelque chose change.

Les changements de phase sont des réactions chimiques.

Les mélanges sont des réactions chimiques.

Une substance peut être transformée en n'importe quel autre type de substance (par exemple, la paille peut être transformée en or).

Performances d'apprentissage possibles et tâches d'évaluation associées :

La prochaine performance d'apprentissage utilise la compétence d'identification. Identification

Pour comprendre cette norme, les élèves doivent comprendre une norme précédente : À la suite d'activités en 5e et 8e année, tous les élèves doivent comprendre qu'une substance a des propriétés caractéristiques, telles que la densité, un point d'ébullition et la solubilité, qui sont toutes indépendantes de la quantité de l'échantillon. (Conseil national de recherches, 1996, Content Standard B 5-8:1A). Cela illustre comment un nouvel apprentissage s'appuie sur un apprentissage antérieur.

implique l'application de la connaissance des catégories à des exemplaires particuliers. Lors de l'identification, les élèves ne peuvent considérer qu'un seul exemplaire (cet objet particulier est-il fait de cire?). L'identification englobe également la gamme inférieure des performances cognitives que nous voulons que les élèves accomplissent.

Performance d'apprentissage 1 :

Les élèves identifient les réactions chimiques.

Tâche d'évaluation associée n° 1 :

Lequel des énoncés suivants est un exemple de réaction chimique ?

refroidir une canette de soda au réfrigérateur

brûler une guimauve sur un feu

Tâche d'évaluation associée n° 2 :

Une classe a mené une expérience dans laquelle les élèves ont mélangé deux liquides incolores. Après avoir mélangé les liquides, les élèves ont remarqué des bulles et un solide gris qui s'étaient formés au fond du récipient.

Quel genre de processus s'est produit?

Fournissez des preuves à l'appui de la façon dont vous savez que cela s'est produit.

Notez que la partie B va au-delà de la performance d'apprentissage pour inclure la justification d'une réponse.

La prochaine performance d'apprentissage utilise la pratique de la construction d'explications fondées sur des preuves. Construire des explications implique d'utiliser des théories, des modèles et des principes scientifiques ainsi que des preuves pour construire des explications de phénomènes, cela pourrait également impliquer d'écarter des hypothèses alternatives. Développer une explication fondée sur des preuves est une tâche cognitive d'ordre supérieur.

Performance d'apprentissage 2:

Les élèves construisent une explication scientifique qui comprend une affirmation selon laquelle un processus est une réaction chimique, des preuves sous la forme de propriétés des substances et/ou des signes d'une réaction, et le raisonnement selon lequel une réaction chimique est un processus dans lequel les substances interagissent pour former nouvelles substances de sorte qu'il existe différentes substances ayant des propriétés différentes avant et après la réaction.

Tâche d'évaluation associée n° 1 :

Carlos prend quelques mesures de deux liquides et de l'acide mdashbutanique et du butanol. Puis il mélange les deux liquides ensemble et les chauffe. Après avoir agité et chauffé les liquides, ils forment deux couches séparées : la couche A et la couche B. Carlos utilise une pipette pour prélever un échantillon de chaque couche et prend quelques mesures de chaque échantillon. Voici ses résultats :

Écrire un explication scientifique qui indique si une réaction chimique s'est produite lorsque Carlos a agité et chauffé l'acide butanique et le butanol.

Encadré 5-7 de Briggs et al. (2004) contient une progression d'apprentissage qui identifie les erreurs courantes. Des éléments qui pourraient être utilisés pour exploiter les compréhensions et les idées fausses des élèves sont inclus. Les explications des choix de réponses illustrent comment les tâches d'évaluation peuvent être rendues plus significatives si les distracteurs mettent en lumière les stratégies pédagogiques nécessaires pour reconstruire les idées fausses des élèves.

Décrire l'espace de résultat

Comme nous l'avons vu précédemment, l'évaluation est un processus qui consiste à faire des déductions sur ce que les élèves savent à partir d'observations de ce qu'ils font en réponse à des situations définies. L'interprétation des réponses des élèves pour étayer ces inférences nécessite deux choses : une réponse notée et une façon d'interpréter le score. La notation des items à choix multiples nécessite de comparer la réponse sélectionnée à la clé de notation pour déterminer si la réponse est correcte ou non. La notation des tâches de performance 8, cependant,

Le comité utilise ce terme pour inclure toute évaluation qui demande aux élèves de générer, plutôt que de sélectionner, une réponse.

requiert à la fois un jugement et des critères définis sur lesquels fonder le jugement. Nous appelons ces critères une rubrique. Une rubrique comprend une description des dimensions pour évaluer la performance des élèves et une échelle de valeurs pour évaluer ces dimensions. Les rubriques sont souvent complétées par des exemples de travaux d'élèves à chaque valeur d'échelle pour aider davantage à faire des jugements. Les descripteurs de performance qui font partie des normes de réussite des états pourraient être associés aux rubriques qui sont développées pour des tests ou des tâches individuels. Une discussion sur les normes de rendement est incluse dans le chapitre 4.

L'encadré 5-8 est un guide de progression ou une rubrique qui est utilisé pour évaluer les performances des élèves lors d'une évaluation du concept de flottabilité. Le guide pourrait être utile aux enseignants et aux élèves car il fournit des informations sur les performances actuelles et sur ce qui serait nécessaire pour que les élèves progressent.

Le Delaware a développé un système pour glaner des informations pertinentes sur le plan pédagogique à partir des réponses aux éléments à choix multiples. L'État utilise une grille de notation à deux chiffres inspirée de la grille de notation utilisée dans les tâches de performance de la troisième étude internationale sur les mathématiques et les sciences (TIMSS). Le premier chiffre du score indique si la réponse est correcte, incorrecte ou partiellement correcte. Le deuxième chiffre d'un score de réponse incorrect ou partiellement correct indique la nature de l'idée fausse qui a conduit à la mauvaise réponse. Les éducateurs analysent ces idées fausses pour comprendre ce qui manque à la compréhension des élèves et pour faire la lumière sur les aspects du programme qui ne fonctionnent pas comme souhaité (Encadré 5-9).

Détermination du modèle de mesure

Les modèles de mesure formels sont des outils statistiques et psychométriques qui permettent aux interprètes des résultats d'évaluation de tirer un sens de grands ensembles de données sur les performances des élèves et d'exprimer le degré d'incertitude qui entoure les conclusions. Les modèles de mesure sont une forme particulière de raisonnement à partir de preuves qui incluent des règles formelles sur la façon d'intégrer une variété de données qui peuvent être pertinentes pour une inférence particulière. Il existe une variété de modèles de mesure et chaque modèle comporte à la fois des hypothèses et des inférences qui peuvent être tirées lorsque les hypothèses sont remplies.

Pendant la majeure partie du siècle dernier, l'interprétation des résultats des tests était considérée en termes d'hypothèse selon laquelle le score observé (O) d'une personne à un test était composé de deux éléments, le score réel (T) et l'erreur (E), c'est-à-dire O. = T + E. De cette formulation ont été dérivées des méthodes pour déterminer le degré d'erreur présent et, en revenant, le degré de confiance que l'on pouvait avoir dans le score observé. La fiabilité est une mesure de la proportion de la variance du score observé qui est attribuable au vrai score plutôt qu'à l'erreur. Les principales parties de la psychométrie traditionnelle de l'interprétation des tests, de la construction des tests, etc. sont construites sur cette base.

Un autre type de modèle de mesure couramment utilisé est la théorie de la réponse à l'item (TRI), qui, telle qu'elle a été conçue à l'origine, peut être utilisée dans des situations où le

ENCADRÉ 5-7
Éléments à choix multiples commandés liés à la variable de progrès pour la compréhension des élèves de la Terre dans le système solaire

L'élève est capable de mettre les mouvements de la Terre et de la Lune dans une description complète du mouvement dans le système solaire qui explique :

les phases de la Lune (y compris l'illumination de la Lune par le Soleil)

L'élève est capable de coordonner le mouvement apparent et réel des objets dans le ciel. L'élève sait que :

la Terre est à la fois en orbite autour du Soleil et en rotation sur son axe

la Terre tourne autour du Soleil une fois par an

la Terre tourne sur son axe une fois par jour, provoquant le cycle jour/nuit et l'apparence que le Soleil se déplace dans le ciel

la Lune orbite autour de la Terre une fois tous les 28 jours, produisant les phases de la Lune

ERREUR COMMUNE : Les saisons sont causées par la variation de la distance entre la Terre et le Soleil.

ERREUR COMMUNE : Les phases de la Lune sont causées par une ombre des planètes, du Soleil ou de la Terre tombant sur la Lune.

la Lune tourne autour de la Terre

la Terre tourne sur son axe

Cependant, l'élève n'a pas associé ces connaissances à une compréhension du mouvement apparent pour former des explications et peut ne pas reconnaître que la Terre est à la fois en rotation et en orbite.

ERREUR COURANTE : Il fait noir la nuit parce que la Terre fait le tour du Soleil une fois par jour.

le Soleil semble se déplacer dans le ciel chaque jour

la forme observable de la Lune change tous les 28 jours

L'élève peut croire que le Soleil tourne autour de la Terre.

ERREUR COMMUNE : Tout mouvement dans le ciel est dû à la rotation de la Terre sur son axe.

ERREUR COMMUNE : Le Soleil fait le tour de la Terre.

ERREUR COURANTE : Il fait noir la nuit parce que le Soleil fait le tour de la Terre une fois par jour.

ERREUR COMMUNE : La Terre est le centre de l'univers.

L'élève ne reconnaît pas la nature systématique de l'apparition des objets dans le ciel. Les élèves peuvent ne pas reconnaître que la Terre est sphérique.

ERREUR COURANTE : Il fait noir la nuit parce que quelque chose (par exemple, les nuages, l'atmosphère, &ldquodarkness&rdquo) recouvre le Soleil.

ERREUR COMMUNE : Les phases de la Lune sont causées par des nuages ​​recouvrant la Lune.

ERREUR COMMUNE : Le Soleil passe sous la Terre la nuit.

Exemple d'éléments à choix multiples ordonnés (OMC) basés sur la Terre dans la variable de progression du système solaire

Article approprié pour les élèves de cinquième année :

Il fait très probablement plus froid la nuit parce que

la Terre est au point le plus éloigné de son orbite autour du Soleil.

le Soleil a voyagé de l'autre côté de la Terre.

le Soleil est sous la Terre et la Lune n'émet pas autant de chaleur que le Soleil.

l'endroit où il fait nuit sur Terre est éloigné du Soleil.

Article approprié pour les élèves de huitième :

Quelle est la meilleure explication pour laquelle nous vivons des saisons différentes (hiver, été, etc.) sur Terre ?

L'orbite de la Terre autour du Soleil nous rapproche du Soleil en été et plus loin en hiver.

L'orbite de la Terre autour du Soleil nous fait faire face au Soleil en été et éloigné du Soleil en hiver.

L'inclinaison de la Terre fait que le Soleil brille plus directement en été qu'en hiver.

L'inclinaison de la Terre nous rapproche du Soleil en été qu'en hiver.

Une caractéristique unique des items OMC est que chacun des choix de réponses possibles dans un item OMC est lié aux niveaux de développement de la compréhension de l'élève, facilitant l'interprétation diagnostique des réponses aux items de l'élève. Les items OMC cherchent à combiner les avantages de validité des items ouverts avec les avantages d'efficacité des items à choix multiples. D'une part, les éléments OMC fournissent des informations sur la compréhension du développement des élèves qui ne sont pas disponibles avec les éléments à choix multiples traditionnels, d'autre part, ces informations peuvent être fournies aux écoles, aux enseignants et aux élèves de manière rapide et fiable, contrairement aux éléments ouverts traditionnels. éléments de test terminés.

SOURCE : Briggs, Alonzo, Schwab et Wilson (2004). Développé par WestEd en collaboration avec le BEAR Center de l'Université de Californie à Berkeley, avec le soutien de la NSF (REC-0087848). Réimprimé avec permission.

ENCADRÉ 5-8
Guide de progression de la flottabilité

Flottabilité : WTSF

Guide de progression

Ce que l'étudiant sait déjà

Ce que l'étudiant doit apprendre

Densité relative

L'élève sait que flotter dépend d'une densité inférieure à celle du milieu, ou du moins que flotter dépend d'une certaine manière de la densité relative. Mentionne les densités de l'objet et du milieu.

L'élève sait que flotter dépend d'une densité moindre, ou du moins que flotter est lié à la densité d'une manière ou d'une autre.

Pour passer au niveau suivant, l'élève doit reconnaître que le support joue un rôle tout aussi important pour déterminer si un objet va couler ou flotter.

Masse et Volume

L'élève sait que flotter dépend d'avoir moins de masse et plus de volume, ou du moins sait que la masse et le volume travaillent ensemble pour affecter le flottement et le naufrage.

Pour passer au niveau suivant, l'étudiant doit comprendre le concept de densité comme un moyen de combiner la masse et le volume en une seule propriété.

la construction est unidimensionnelle (c'est-à-dire qu'un seul trait sous-jacent, comme la compréhension de la biologie, explique la performance sur un élément de test). Les modèles IRT font une autre hypothèse, c'est-à-dire que la probabilité des réponses observées est déterminée par deux types d'inobservables, une capacité du candidat et des paramètres qui caractérisent les éléments. Une gamme de modèles mathématiques différents est utilisée pour estimer ces paramètres. Lorsque l'hypothèse d'adimensionnalité n'est pas satisfaite, une version plus complexe du modèle de la théorie de la réponse d'item&mdashla théorie de la réponse d'item multidimensionnelle&mdashis est plus appropriée. Ce modèle permet l'utilisation d'éléments qui mesurent plus d'un trait, tels que la compréhension de la biologie et la compréhension de la chimie.

L'élève sait que flotter dépend d'avoir moins de masse.

L'élève sait que flotter dépend d'avoir plus de volume.

Pour passer au niveau suivant, l'élève doit reconnaître que le changement de masse OU de volume affectera si un objet coule ou flotte.

Fonctionnalité non conventionnelle

L'élève pense que le flottement dépend d'une caractéristique non conventionnelle, telle que la forme, la surface ou le creux.

Pour passer au niveau suivant, l'élève doit repenser ses idées en termes de masse et/ou de volume. Par exemple, les objets creux ont beaucoup de volume mais pas beaucoup de masse.

L'étudiant ne s'occupe d'aucune propriété ou caractéristique pour expliquer le flottement.

Pour passer au niveau suivant, l'élève doit se concentrer sur une propriété ou une caractéristique de l'objet afin d'expliquer pourquoi il coule ou flotte.

Pas de réponse

L'élève n'a pas tenté de répondre.

Pour passer au niveau suivant, l'élève doit répondre à la question.

L'élève a donné une réponse, mais elle ne peut pas être interprétée pour la notation.

SOURCE : http://www.caesl.org/conference/Progress_Guides.pdf. Réimprimé avec la permission du Center for Assessment and Evaluation of Student Learning.

Dans les programmes d'évaluation à grande échelle, il est courant que le personnel de l'État décide du modèle de mesure qui sera utilisé, en consultation avec l'entrepreneur chargé du développement des tests. Le plus souvent, il s'agira soit de la théorie des tests classiques, soit de l'un des modèles IRT. D'autres modèles sont disponibles (voir par exemple le chapitre 4 de NRC [2001b] pour une enquête récente), bien qu'ils se soient principalement limités à des études de recherche plutôt qu'à des applications à grande échelle. La décision concernant le modèle de mesure à utiliser est généralement basée sur les informations fournies par l'État sur les inférences qu'il souhaite étayer avec les résultats des tests, et sur le modèle que l'entrepreneur utilise généralement pour atteindre des objectifs similaires.

ENCADRÉ 5-9
Rubrique de notation du Delaware pour les tests chimiques

Question I : Votre mélange est composé de trois produits chimiques avec lesquels vous avez travaillé dans cette unité. Vous n'aurez peut-être pas le même mélange que votre voisin. En utilisant deux ou plusieurs sens, observez votre mélange inconnu. Énumérez au moins trois propriétés physiques que vous avez observées. Ne pas goûter le mélange.

Cette question mesure la capacité des élèves à observer et à enregistrer les propriétés physiques d'un mélange.

Critère pour une réponse complète :

Identifie et enregistre trois propriétés physiques différentes en utilisant deux sens ou plus, par exemple, se sent doux, comme une poudre, bosselé, blanc, a des cristaux, etc.

Réponse complète

La réponse répond au critère ci-dessus.

Énumère trois propriétés et inclut une substance spécifique, par exemple, le sucre.

Réponse partiellement correcte

Enregistre deux propriétés physiques différentes en utilisant un ou plusieurs sens.

Enregistre deux propriétés physiques différentes en utilisant un ou plusieurs sens, et ajoute le nom d'un produit chimique (substance).

Réponse incorrecte

Enregistre une propriété physique.

Identifie une substance (sucre) plutôt que des propriétés.

Toute autre réponse incorrecte.

Non réponse

Barré, effacé, illisible, incomplet ou impossible à interpréter.

ÉVALUER LA VALIDITÉ COGNITIVE DE L'ÉVALUATION

Les éducateurs, les décideurs, les étudiants et le public veulent savoir que les déductions qui sont tirées des résultats des tests scientifiques sont justifiées. Pour aborder la validité cognitive des tests de réussite en sciences, Shavelson et ses collègues (Ayala, Yin, Shavelson et Vanides 2002 Ruiz-Primo, Shavelson, Li et Schultz 2001) ont développé une stratégie d'analyse des tests scientifiques pour déterminer ce qu'ils mesurent. Le même processus peut être utilisé pour analyser les normes de l'État et comparer ce qu'une évaluation mesure avec les objectifs de l'État pour l'apprentissage des élèves.

Au cœur du processus se trouve un cadre heuristique pour conceptualiser le

concept de la réussite en sciences comme composé de quatre types de connaissances différents mais qui se chevauchent. Les types de connaissances sont :

Connaissance déclarative c'est savoir quoi&mdashpar exemple, la connaissance de faits, de définitions ou de règles.

Connaissances procédurales c'est savoir comment&mdashpar exemple savoir comment résoudre une équation, effectuer un test pour identifier un acide ou une base, concevoir une étude, identifier les étapes impliquées dans d'autres types de tâches.

Connaissances schématiques est de savoir pourquoi&mdashpar exemple, pourquoi les objets coulent ou flottent, ou pourquoi les saisons changent&mdashand inclut des principes ou d'autres modèles mentaux qui peuvent être utilisés pour analyser ou expliquer un ensemble de résultats.

Connaissances stratégiques est de savoir comment et quand appliquer ses connaissances dans une nouvelle situation ou lors de l'assimilation de nouvelles informations, par exemple, développer des stratégies de résolution de problèmes, fixer des objectifs et surveiller sa propre réflexion en abordant une nouvelle tâche ou situation.

En utilisant une perspective d'interaction entre les candidats et les tests pour expliquer comment les étudiants apportent et appliquent leurs connaissances pour répondre aux questions du test, les chercheurs ont développé une méthode pour analyser logiquement les éléments du test et les relier au cadre de réalisation des types de connaissances (Li, 2001). Chaque élément d'un test passe par une série d'analyses conçues pour déterminer si l'élément suscitera des réponses cohérentes avec ce que l'évaluation vise à mesurer et si les réponses qu'ils suscitent peuvent être interprétées pour étayer toute déduction l'évaluateur espère tirer des résultats.

Li, Shavelson et ses collègues (Li, 2001 Shavelson et Li, 2001 Shavelson et al., 2004) ont appliqué ce cadre pour analyser les parties scientifiques de la Third International Mathematics and Science Study&mdashRepeat (TIMMS-R) (Population 2) et du Delaware Programme d'examen des étudiants. Ils ont constaté que les deux tests étaient fortement pondérés par les connaissances déclaratives et presque 60 %. Les éléments restants ont été répartis entre les connaissances procédurales et schématiques. Les chercheurs ont également analysé les normes de contenu scientifique du Delaware à l'aide du cadre de réussite et ont constaté que les normes de l'État étaient plus axées sur la connaissance schématique que l'évaluation, indiquant que l'évaluation ne représentait pas de manière adéquate les priorités cognitives contenues dans les normes de l'État. Ces résultats ont conduit à des changements dans le programme de tests d'État et au développement d'un système d'évaluation solide lié au programme d'études pour améliorer l'apprentissage des élèves afin de compléter le test d'État et de fournir des informations supplémentaires sur les résultats scientifiques des élèves (communication personnelle, Rachel Wood).

CONSTRUIRE L'ÉVALUATION DU DÉVELOPPEMENT AUTOUR DE L'APPRENTISSAGE

Le comité a mandaté deux équipes de conception qui comprenaient des scientifiques, des enseignants en sciences et des experts connaissant la façon dont les enfants apprennent les sciences pour

suggérer des moyens d'utiliser la recherche sur l'apprentissage des enfants pour développer des évaluations à grande échelle aux niveaux national et étatique, et des évaluations en classe qui étaient cohérentes avec elles. Les équipes ont été invitées à examiner les façons dont les outils et stratégies tirés de la recherche sur l'apprentissage des enfants pourraient être utilisés pour développer de nouvelles approches d'élaboration de normes et de conception et d'interprétation des évaluations.

Chaque équipe a été invitée à présenter une progression d'apprentissage pour une théorie importante ou une grande idée en sciences naturelles. La progression de l'apprentissage devait être basée sur des études expérimentales, la théorie cognitive et l'analyse logique des concepts, des principes et de la théorie. Les équipes ont été invitées à examiner les façons dont la progression de l'apprentissage pourrait être utilisée pour construire des stratégies pour évaluer la compréhension des étudiants des fondements de la théorie, ainsi que leur compréhension de la théorie elle-même. Les stratégies d'évaluation (si elles les développaient) devaient être développementales, c'est-à-dire tester une compréhension progressivement plus complexe des différentes couches de la fondation de la théorie dans une séquence dans laquelle la science cognitive suggère qu'elle peut raisonnablement se développer. Les travaux de ces deux groupes sont résumés ci-dessous. Des copies de leurs articles peuvent être obtenues sur http://www7.nationalacademies.org/bota/Test_Design_K-12_Science.html.

Implications de la recherche sur l'apprentissage des enfants pour l'évaluation : la matière et la théorie atomique-moléculaire 9

Cette équipe a utilisé la recherche sur les enfants qui apprennent la nature de la matière et des matériaux, comment la matière et les matériaux changent et la structure atomique de la matière 10 pour illustrer un processus d'élaboration d'évaluations qui reflètent la recherche sur la façon dont les élèves apprennent et développent la compréhension de ces concepts scientifiques.

Leur première étape a été d'organiser les concepts clés de la théorie moléculaire atomique autour de six grandes idées qui forment deux grands groupes : les deux premiers forment un niveau macroscopique cluster et les quatre derniers forment un niveau atomique-moléculaire cluster (l'encadré 5-10 fournit plus de détails sur ces concepts). La théorie atomique-moléculaire développe les grandes idées macroscopiques étudiées précédemment et fournit des explications plus approfondies des propriétés et des phénomènes macroscopiques.

À l'aide de la recherche sur l'apprentissage des enfants, l'équipe a identifié des voies et mdashprogressions d'apprentissage&mdash qui tracerait le chemin que les enfants pourraient suivre car l'instruction les aide à passer d'idées naïves à une compréhension plus sophistiquée de la théorie moléculaire atomique. Le groupe a noté que la recherche met en évidence les défis

Document préparé pour le comité par Carol Smith, Marianne Wiser, Andy Anderson, Joe Krajcik et Brian Coppola (2004).

Ces idées sont représentées à la fois dans le Points de repère pour la littératie scientifique (AAAS, 1993) et Normes nationales d'enseignement des sciences (CNRC, 1996).

BOÎTE 5-10
Théorie atomique-moléculaire

La capacité des enfants à apprécier la puissance de la théorie atomique nécessite un certain nombre de compréhensions connexes sur la nature de la matière et les types de matériaux, la façon dont la matière et les matériaux changent et la structure atomique de la matière. Ces compréhensions sont détaillées dans les documents de normes. Smith et al. (2004) les organisent autour de six grandes idées qui forment deux grands clusters : les deux premiers forment un niveau macroscopique cluster et les quatre derniers forment un niveau atomique-moléculaire grappe. Le premier groupe est introduit dans les premières années d'études et élaboré tout au long de la scolarité. La seconde est introduite au collège et élaborée tout au long du collège et du lycée. La théorie atomique-moléculaire développe les grandes idées macroscopiques étudiées précédemment et fournit des explications plus approfondies des propriétés et des phénomènes macroscopiques.

Six grandes idées de la théorie moléculaire atomique qui forment deux grands groupes

Propriétés macroscopiques : Nous pouvons en apprendre davantage sur les objets et les matériaux qui constituent le monde par la mesure, la classification et la description en fonction de leurs propriétés.

Conservation macroscopique : La matière peut être transformée, mais pas créée ou détruite, par des processus physiques et chimiques.

Théorie atomique-moléculaire : Toute la matière que nous rencontrons sur Terre est constituée de moins de 100 types d'atomes, qui sont généralement liés entre eux dans des molécules et des réseaux.

Explication atomique-moléculaire des matériaux : Les propriétés des matériaux sont déterminées par la nature, la disposition et le mouvement des atomes et des molécules qui les composent.

Explication atomique-moléculaire des transformations : Les changements dans la matière impliquent à la fois des changements et des continuités sous-jacentes dans les atomes et les molécules.

Distinguer les données des explications atomiques-moléculaires : Les propriétés et les changements des atomes et des molécules doivent être distingués des propriétés macroscopiques et des phénomènes qu'ils expliquent.

inhérentes au déplacement à travers les progressions, car elles impliquent des compréhensions macroscopiques des matériaux et des substances ainsi que des compréhensions nanoscopiques des atomes et des molécules. L'encadré 5-11 contient ces progressions telles qu'elles ont été conçues par cette équipe de conception. L'équipe propose les mises en garde suivantes concernant cette progression. Premièrement, les progressions d'apprentissage ne sont pas inévitables et il n'y a pas un seul ordre correct&mdashas les enfants apprennent, de nombreux changements se produisent simultanément de multiples manières interconnectées, pas nécessairement de manière contrainte et ordonnée

ENCADRÉ 5-11
Les concepts et idées fondamentales associés à la théorie atomique-moléculaire illustrent une possible progression de l'apprentissage

Expériences avec un plus large éventail de matériaux et de phénomènes. Les enfants étendent la gamme de leurs expériences avec les matériaux, les propriétés des matériaux et les changements de matériaux. Les nouvelles expériences les aident souvent à voir les limites de leurs idées antérieures et à accepter de nouvelles idées qui rendent compte d'un plus large éventail de phénomènes.

Sophistication croissante dans la description, la mesure et la classification des matériaux. Les enfants apprennent les limites de leurs impressions sensorielles et maîtrisent l'utilisation d'un plus large éventail d'instruments pour mesurer et classer les propriétés des matériaux et les changements dans les matériaux. Ils prennent conscience des propriétés des matériaux qui ne sont pas révélées par une simple observation et apprennent à les mesurer. Ils prennent également conscience de la composition de nombreux matériaux, comprenant que même les matériaux homogènes sont des mélanges de substances, comprenant différents éléments et composés.

Développement de comptes causaux axés sur la matière et la masse. Les enfants passent des explications des changements en tant qu'événements causés par des conditions ou des circonstances à des explications qui se concentrent sur les mécanismes de changement et sur le traçage des substances à travers les changements. Ils en viennent à comprendre que la masse est une mesure fondamentale de la quantité de matière, de sorte que les changements de masse doivent être pris en compte en termes de matière entrant ou sortant d'un système. Ils apprennent que les gaz sont des formes de matière comme les solides et les liquides, donc les gaz ont une masse et peuvent être utilisés pour expliquer des changements de masse autrement inexplicables.

manière dont il apparaît dans une progression d'apprentissage. Deuxièmement, toute progression d'apprentissage est inférentielle ou hypothétique car il n'y a pas d'études à long terme sur des enfants réels apprenant un concept particulier, et il est difficile de décrire le raisonnement des élèves car différents chercheurs ont utilisé différentes méthodes et cadres conceptuels.

Pour concevoir des évaluations afin d'exploiter les progrès des élèves tout au long de cette progression d'apprentissage, l'équipe a suggéré un processus en trois étapes :

Codifier les grandes idées en performances d'apprentissage : types de tâches ou d'activités adaptées aux contextes de classe à travers lesquelles les élèves peuvent démontrer leur compréhension des grandes idées et des pratiques scientifiques.

Utilisez les performances d'apprentissage pour développer des groupes de tâches ou d'éléments d'évaluation, y compris des éléments traditionnels et non traditionnels qui sont (a) liés aux principes des normes et (b) analysables avec des outils psychométriques.

Utiliser la recherche sur l'apprentissage des enfants comme base d'interprétation de l'élève

Augmentation de la profondeur théorique. Les enfants développent des récits des propriétés de la matière et des changements dans la matière qui font un usage accru des mécanismes cachés et de la théorie atomique-moléculaire. Ils sont de plus en plus capables d'utiliser les six grandes idées (énumérées ci-dessus) et de développer des comptes qui coordonnent quatre niveaux de description différents :

Impressions ou apparences perceptives&mdashce que nous voyons et ressentons&mdashare lié à

Propriétés ou variables mesurables&mdashmasse, volume, densité, température, pression, etc.&mdashqui sont liés à

Matériaux constitutifs et des substances chimiques, et enfin à

Les atomes et molécules dont ces substances sont composées.

Tout au long de l'école primaire, les élèves travaillent à coordonner les deux premiers niveaux alors qu'ils développent une solide compréhension macroscopique de la matière et des matériaux basée sur des mesures minutieuses. À partir du collège, ils coordonnent les quatre niveaux à mesure qu'ils développent une compréhension de la théorie atomique-moléculaire et de son large pouvoir explicatif.

Comprendre la nature et les utilisations des preuves et des théories scientifiques. Les enfants apprennent à faire la distinction entre les données et les modèles ou théories, qui peuvent être utilisés pour rendre compte de nombreuses observations et expériences différentes. Ils deviennent de plus en plus capables de développer et de critiquer des arguments qui impliquent une utilisation coordonnée des données et des théories. Ils deviennent également de plus en plus sophistiqués dans leur compréhension des sources d'incertitude et leur capacité à utiliser des raisonnements conditionnels et hypothétiques.

réponses, expliquant comment les réponses révèlent la réflexion des élèves par rapport aux grandes idées et aux progressions d'apprentissage.

En créant des exemples pour illustrer leur processus, l'équipe a exposé son raisonnement à chaque étape du processus de développement, des normes nationales aux normes élaborées, en passant par les performances d'apprentissage, les éléments d'évaluation et les interprétations et les contributions que la recherche sur l'apprentissage des enfants peut apporter à chaque étape. Ce faisant, ils illustrent pourquoi ils croient que les évaluations en classe et à grande échelle développées à l'aide de ces méthodes auront trois qualités importantes qui manquent à la plupart des évaluations actuelles :

Des principes clairs pour la couverture du contenu. Étant donné que les évaluations sont organisées autour de grandes idées incarnées dans des pratiques et des contenus scientifiques clés, leur organisation et leur relation avec les thèmes du programme seront claires. Plutôt que d'échantillonner au hasard ou arbitrairement à partir d'un grand nombre de normes individuelles, évaluez-

Les éléments développés à l'aide de ces méthodes peuvent inclure, de manière prévisible, des éléments qui évaluent la compréhension des étudiants des grandes idées et des pratiques scientifiques.

Des relations claires entre les normes et les éléments d'évaluation. Étant donné que le raisonnement et les méthodes utilisés à chaque étape du processus de développement sont explicites, l'interprétation des normes et les relations entre les normes et les éléments d'évaluation sont claires. La relation entre les normes et les éléments d'évaluation est rendue explicite et est donc facile à examiner.

Fournir des informations sur la pensée des étudiants. Les évaluations et leurs résultats aideront les enseignants à comprendre et à répondre à la réflexion de leurs élèves. À cette fin, l'interprétation des réponses des élèves est d'une importance cruciale, et des interprétations fiables nécessitent une base de recherche. Ainsi, développer des éléments qui révèlent la pensée des étudiants est beaucoup plus facile pour la théorie de la matière et de la molécule atomique que pour d'autres sujets avec des bases de recherche moins étendues.

Bien que ce groupe démontre le rôle clé que la recherche sur l'apprentissage peut jouer dans la conception d'évaluations scientifiques de haute qualité, ils notent que pour les évaluateurs dont la principale préoccupation est l'évaluation et la responsabilité, ces qualités peuvent ne pas sembler aussi importantes que d'autres qualités, telles que efficacité et fiabilité. Ils concluent cependant que des évaluations dotées de ces qualités sont essentielles pour l'amélioration à long terme de l'évaluation en sciences.

Biologie de l'évolution 11

Bien que l'importance d'intégrer les résultats de la recherche sur l'apprentissage des élèves dans le développement de l'évaluation soit largement reconnue, la recherche dans de nombreux domaines de l'apprentissage des sciences est incomplète. L'équipe de conception qui s'est penchée sur la biologie évolutive a cependant fait valoir qu'il serait injustifié d'attendre que la recherche comble toutes les lacunes. Pour illustrer pourquoi l'attente n'est peut-être pas nécessaire, l'équipe a développé une approche pour produire des inférences sur l'apprentissage des élèves qui appliquent une vision contemporaine de l'évaluation et exploitent la théorie de l'apprentissage. Leur approche consiste à utiliser la théorie de l'apprentissage pour identifier plus clairement ce qui doit être évalué et quelles tâches ou conditions pourraient fournir des preuves de la compréhension des élèves, de sorte que les inférences sur les connaissances des élèves soient bien fondées. L'approche comporte trois volets.

Premièrement, dans un système éducatif basé sur des normes, les développeurs d'évaluation s'appuient sur des normes pour définir ce que les élèves doivent savoir (les construits), mais les normes masquent souvent les concepts et pratiques disciplinaires importants qui leur sont inhérents. Pour y remédier, l'équipe suggère qu'une structure conceptuelle centrale soit développée autour des grandes idées contenues dans les normes afin de clarifier ce qu'il est important d'évaluer. De nombreuses normes individuelles peuvent se rapporter au même

Document préparé pour le comité par Kefyn Catley, Brian Reiser et Rich Lehrer (2005).

grande idée, de sorte que se concentrer sur eux est un moyen de condenser les normes. Idéalement, une grande idée est revisitée tout au long de la scolarité, afin que les connaissances d'un élève soient progressivement affinées et élaborées. Cette pratique simplifie potentiellement l'alignement entre le curriculum et l'évaluation, car les deux sont liés au même ensemble de concepts.

L'équipe préconise également que les grandes idées soient choisies en gardant à l'esprit les voies de développement prospectives. Ils notent que ceux-ci sont parfois disponibles à partir de la recherche en apprentissage, mais qu'ils s'appuient généralement également sur les opinions des maîtres enseignants ainsi que sur des conjectures inspirées pour combler les lacunes de la base de recherche.

Deuxièmement, les normes sont aligné avec les grandes idées, afin qu'elles puissent être considérées dans le contexte d'idées plus centrales. Cette pratique est un autre moyen d'élaguer les normes, et c'est un moyen de développer la cohérence entre les normes individuelles.

Troisièmement, les normes sont élaborées comme performances d'apprentissage. Comme décrit précédemment, les performances d'apprentissage décrivent des processus cognitifs spécifiques et des pratiques associées qui sont liées à la réalisation de normes particulières, et aident ainsi à guider la sélection de situations pour recueillir des preuves de compréhension ainsi que des indices sur ce que signifient les preuves.

L'équipe illustre sa démarche en développant une cartographie des grandes idées et des performances d'apprentissage associées pour la biologie évolutive pour les huit premières années de scolarité. La cartographie retrace le développement de six grandes idées connexes qui aident les étudiants à comprendre l'évolution. Le premier et le plus important est la diversité : pourquoi la vie est-elle si diverse ? Les autres concepts fondamentaux jouent un rôle de soutien : (a) écologie, (b) structure-fonction, (c) variation, (d) changement et (e) processus géologiques. En plus de ces constructions disciplinaires, deux habitudes d'esprit essentielles sont incluses : des outils mathématiques qui soutiennent le raisonnement sur ces grandes idées et des formes de raisonnement souvent utilisées dans les études sur l'évolution, en particulier le raisonnement basé sur des modèles et l'analyse comparative. À chacun des trois niveaux (K&ndash2 3&ndash5, 6&ndash8), les normes élaborées par le National Research Council (1996) et l'American Association for the Advancement of Science (1993) sont élaborées pour englober les performances d'apprentissage. Au fur et à mesure que la scolarité progresse, ces performances d'apprentissage reflètent une coordination et une connectivité croissantes entre les grandes idées. Par exemple, la diversité est d'abord simplement traitée comme une qualité existante du monde vivant mais, au fil des années de scolarité, s'explique par le recours à des concepts qui se développent au fur et à mesure que les élèves apprennent la structure-fonction, la variation, le changement, l'écologie et la géologie.

L'équipe a choisi ce sujet en raison de son rôle critique et fédérateur dans les sciences biologiques et parce que l'apprentissage de l'évolution nécessite une synthèse et une coordination entre un réseau de concepts et de pratiques connexes, allant de la génétique et de l'écologie à la géologie, afin que la compréhension de l'évolution soit susceptible d'émerger à travers les années de scolarité. Ainsi, l'apprentissage de l'évolution sera progressif et impliquera une coordination entre des disciplines autrement discrètes (en revanche, on pourrait apprendre l'écologie ou la géologie sans tenir compte de leurs rôles dans l'évolution). Contrairement à d'autres domaines de l'enseignement des sciences, l'évolution n'a pas été

suffisamment recherché. Le domaine présente des défis importants pour ceux qui souhaitent décrire les voies par lesquelles l'apprentissage dans ce domaine pourrait se développer et qui pourraient guider l'évaluation. Ainsi, l'évolution a servi de banc d'essai pour l'approche.

CONCLUSIONS

Concevoir des évaluations scientifiques de haute qualité est un objectif important, mais difficile à atteindre. Comme indiqué au chapitre 3, les évaluations scientifiques doivent cibler les connaissances, les compétences et les habitudes d'esprit qui sont nécessaires à la culture scientifique, et doivent refléter les connaissances et la compréhension scientifiques actuelles de manière précise et cohérente avec la façon dont les scientifiques comprennent le monde. . Il doit évaluer la compréhension des élèves de la science en tant que domaine de contenu et leur compréhension de la science en tant qu'approche. Il doit également fournir la preuve que les étudiants peuvent appliquer leurs connaissances de manière appropriée et qu'ils s'appuient sur leurs connaissances et compétences existantes de manière à mener à une compréhension plus complète des principes clés et des grandes idées de la science. Ajoutant au défi, la compétence en science est multiforme et ne suit pas un chemin singulier. La compétence en science se développe davantage comme une succession écologique, avec des changements se produisant simultanément de multiples manières interconnectées. L'évaluation scientifique doit tenir compte de ces complexités tout en respectant les normes techniques professionnelles en matière de fiabilité, de validité et d'équité aux fins pour lesquelles les résultats seront utilisés.

Le comité conclut donc que l'objectif de développer des évaluations scientifiques de haute qualité ne sera atteint que grâce aux efforts combinés des scientifiques, des enseignants en sciences, des psychologues du développement et de la cognition, des experts en apprentissage et des spécialistes de la mesure de l'éducation travaillant en collaboration plutôt que séparément. L'expérience des équipes de conception décrites dans ce chapitre et les multiples conclusions d'autres comités du CNRC (NRC, 1996, 2001b, 2002) appuient cette conclusion. Les entrepreneurs d'essais commerciaux n'ont généralement pas l'avantage de ces diverses perspectives car ils créent des outils d'évaluation pour les États. C'est pour cette raison que nous suggérons dans le chapitre suivant que les États créent leurs propres conseils consultatifs spécifiques au contenu pour aider le personnel de l'État qui est affecté à travailler avec les entrepreneurs. Ces organismes peuvent conseiller les États sur la pertinence des stratégies d'évaluation ainsi que sur la qualité et l'exactitude des éléments et des tâches inclus dans les tests développés en externe.

QUESTIONS POUR LES ÉTATS

Ce chapitre a décrit des façons de penser à la conception des évaluations scientifiques qui peuvent être appliquées aux évaluations à tous les niveaux du système. Nous proposons les questions suivantes pour guider les États dans l'évaluation de leurs approches en matière d'élaboration d'évaluations scientifiques :


Résultats

Développement de modèles et ajustement des données

Les valeurs maximales de log-vraisemblance pour chaque modèle et souris sont rapportées dans le tableau C1. En utilisant le test du rapport de vraisemblance, le modèle 7 a été choisi comme le meilleur ajustement pour 10 des 13 souris. Les trois pour lesquels le modèle 7 n'était pas le meilleur ajustement avaient chacun le modèle 8 comme meilleur ajustement mais avaient des estimations de vraisemblance maximale des taux de conversion des gamétocytes qui ne sont pas facilement conciliables avec les valeurs publiées (AS 10 5 souris 1, $g=0.3$ AS 10 5 souris 3, $g=0.19$ AS 10 6 souris 2, $g=0.197$ ). Les estimations empiriques des taux de conversion des gamétocytes sont difficiles à obtenir car seul le produit final de ce processus peut être compté et le système immunitaire peut rapidement se débarrasser des gamétocytes en cours de maturation (Taylor et Read 1997). Au lieu de cela, certaines études ont mesuré la proportion quotidienne de parasites totaux (gamétocytes et mérozoïtes) qui sont des gamétocytes (Buckling et al. 1999 Shutler et al. 2005). Cela constitue une approximation raisonnable du taux de conversion en l'absence de preuve d'une forte réponse immunitaire spécifique aux gamétocytes, compte tenu de la durée de vie relativement longue dans le sang des gamétocytes par rapport aux mérozoïtes (la demi-vie des gamétocytes est estimée à 8 h pour mâles et 16 h pour les femelles Reece et al. 2003). Dans les infections expérimentales avec le Plasmodium chabaudi clone DK dans des conditions normales, les gamétocytes représentent environ 1 à 2 % de tous les parasites circulants et, même à leur densité maximale, ne constituent pas plus de 10 % (Shutler et al. 2005). Sous stimulation maximale, il est possible que les taux de conversion atteignent des valeurs supérieures à 0,1, mais il n'y a aucune preuve empirique que des taux aussi élevés soient maintenus pendant la durée de la phase aiguë de l'infection. Par conséquent, nous excluons le modèle 8 pour ces souris. Le prochain meilleur modèle pour chacune de ces trois souris était le modèle 7, nous l'avons donc pris comme modèle le mieux adapté pour ces souris pour le reste des analyses. Aucune de nos conclusions sur la taille de l'inoculum ou les effets de clone ne change qualitativement en choisissant plutôt le modèle 8.

Les courbes les mieux ajustées pour toutes les souris sont en bon accord qualitatif avec les densités de globules rouges mesurées (voir fig. 2). À partir du modèle le mieux ajusté et des estimations des paramètres, nous avons généré des prédictions pour la dynamique du parasite. Celles-ci sont présentées, ainsi que des données expérimentales, dans la figure 3. Étant donné que nous n'avons pas utilisé ces données pour l'ajustement, le modèle fait un bon travail pour expliquer qualitativement la dynamique du parasite, à quelques exceptions notables près. Pour la souris 4 de l'expérience AS 10 5, le modèle prédit des densités parasitaires déraisonnablement élevées pour le deuxième pic. Il existe une valeur aberrante potentielle dans les mesures des globules rouges pour cette souris survenant au jour 10 après l'inoculation. Nous avons omis ce point de données, réaménagé le modèle et trouvé des prédictions beaucoup plus raisonnables pour la dynamique du parasite (comme illustré par la ligne bleue sur les figures 2, 3). Nous désignons cet ensemble de données modifié avec une valeur aberrante omise comme souris 4′. De plus, pour la souris 2 de l'expérience AS 106, le modèle ne parvient pas à capturer le moment des pics de parasites. Dans cet ensemble de données, il n'y avait pas de valeurs aberrantes évidentes dans les mesures des globules rouges, mais la dynamique des globules rouges est très différente de celle des autres souris de cette expérience. En particulier, la densité des globules rouges chute environ 2 jours plus tard que chez les autres souris, malgré un timing similaire dans les pics parasitaires, et la densité des globules rouges ne montre aucune augmentation réelle après le deuxième pic parasitaire. Cette souris a été exclue d'une analyse statistique ultérieure. Figure 2:

Données expérimentales et courbes de meilleur ajustement pour la dynamique des globules rouges. Cercles, valeurs observées Lignes solides, meilleurs ajustements. Les infections sont soit avec 10 5 AS, 10 6 AS ou 10 6 parasites DK. Ligne bleue, courbe de meilleur ajustement pour la souris 4 dans l'expérience 10 5 AS avec une valeur aberrante (jour 10) supprimée (notée souris 4′). L'ajustement du modèle est très bon pour toutes les souris. Valeurs d'adéquation de l'ajustement pour l'inoculation AS 10 5 : souris 1 = 388, souris 3 = 134, souris 4 = 739, souris 5 = 134 pour l'inoculation AS 10 6 : souris 1 = 824, souris 3 = 581, souris 4′ = 590, souris 5 = 642 pour l'inoculation DK 106 : souris 1 = 610, souris 2 = 866, souris 3 = 727, souris 4 = 368. Les valeurs supérieures à 50 représentent de bons ajustements.

Données expérimentales et simulations de dynamique parasitaire. Cercles, valeurs observées Lignes solides, prédictions du modèle (à l'aide de paramètres ajustés aux données sur les globules rouges uniquement). Les infections sont soit avec 10 5 AS, 10 6 AS ou 10 6 parasites DK. Ligne bleue, les prédictions du modèle pour la souris 4 dans l'expérience 10 5 AS après qu'une valeur aberrante (jour 10) a été supprimée.

Analyses statistiques

Les valeurs d'adéquation du modèle 7 pour toutes les souris sont données dans la légende de la figure 2 et sont représentées graphiquement dans la figure C1. Les ajustements étaient très bons pour toutes les souris et tous les paramètres étaient significatifs pour chaque souris. Les paramètres les mieux adaptés pour le modèle 7 sont indiqués pour les souris individuelles dans le tableau C2 et les encadrés des distributions de paramètres estimées sont présentés dans les figures C2 à C4.

Certaines tendances peuvent être observées lors de la comparaison des valeurs estimées de certains paramètres au sein des individus. En particulier, les déficits en globules rouges ont tendance à se combler plus rapidement dans des conditions anémiques que lorsque les densités de globules rouges sont normales (c'est-à-dire, $ heta _<0>< heta _$ voir fig. C4). De plus, un aspect de l'importance de la structure par âge des globules rouges est confirmé par ces distributions : pour chaque individu, le taux d'invasion des globules rouges complètement matures est plus élevé que pour les réticulocytes (c'est-à-dire $eta _< eta _$ voir fig. C2), souvent d'un ordre de grandeur. Ces taux d'invasion contrôlent les différences de disponibilité, de sorte qu'ils représentent vraiment une préférence pour les globules rouges matures. Malgré cette préférence, la taille de l'éclatement est plus élevée pour la plupart des individus dans les réticulocytes que dans les normocytes (c'est-à-dire $omega _> omega _$ voir fig. C3).

Effet du clone parasite.

En mettant en commun les données des individus, nous sommes en mesure de comparer les distributions des estimations des paramètres pour voir quel effet le clone parasite a sur la dynamique de l'infection et, en particulier, d'essayer d'identifier la base des différences de virulence entre les DK (moins virulents ) et AS (plus virulents). Nous avons comparé uniquement les données des inoculations avec 106 parasites pour contrôler les effets possibles de la taille de l'inoculum. Les boîtes à moustaches des distributions regroupées sont présentées dans la figure C5, et les valeurs médianes sont répertoriées dans le tableau C3. Le tableau 2 contient les valeurs estimées des paramètres DK par rapport aux valeurs AS, et nous supposons, quelque peu arbitrairement, que des différences supérieures à 10 % de la valeur AS sont la preuve d'un effet de clone. Les taux d'invasion médians des réticulocytes sont approximativement égaux pour les deux clones, mais le clone AS a un taux d'invasion des normocytes plus élevé que le clone DK. Les valeurs médianes de la taille des bursts sont également plus élevées pour les parasites AS que pour les parasites DK, et cette différence est encore plus prononcée dans les réticulocytes que chez les normocyctes. Les souris du groupe infectées par le SA ont des taux de production de globules rouges plus lents, à la fois à des densités de globules rouges normales et pendant l'anémie.

Médianes des distributions de paramètres estimées regroupées par rapport à AS 10

Remarque : Nous supposons qu'une différence de 10 % ou plus est la preuve d'un effet, comme indiqué par X.

Effet de la taille de l'inoculum.

Nous avons également comparé les distributions des estimations des paramètres pour voir quel effet la taille de l'inoculum a sur la dynamique de l'infection. Nous avons comparé uniquement les données des inoculations avec des parasites AS pour contrôler les effets possibles des clones. Les boîtes à moustaches des distributions regroupées sont présentées dans la figure C6, et les valeurs médianes sont répertoriées dans le tableau C3. Les valeurs estimées des paramètres pour l'expérience 105 par rapport à celles de l'expérience 106 sont données dans le tableau 2. Les valeurs médianes du taux d'invasion des globules rouges et de la taille de l'éclatement des normocytes sont approximativement égales. Cependant, il existe une différence marquée dans les tailles médianes d'éclatement des réticulocytes, la faible taille de l'inoculum obtenant presque deux fois plus de mérozites par réticulocyte infecté que la taille élevée de l'inoculum. Les estimations des taux de production de globules rouges sont plus élevées dans la taille de l'inoculum 10 6 que dans la taille de l'inoculum 10 5, à la fois à des densités de globules rouges normales et pendant l'anémie.

Expériences de co-infection

Les prédictions du modèle et les données expérimentales des expériences de co-infection sont représentées sur les figures 4 et 5. Bien qu'elles ne permettent aucune variation individuelle, à l'exception des densités de globules rouges et de parasites de départ, les prédictions du modèle fournissent un ajustement qualitatif raisonnable aux données, en particulier pour la phase précoce du parasite. dynamique. Les pics et les creux prédits dans les densités de RBC ont une amplitude similaire aux données, mais le timing est légèrement différent. Ceci est particulièrement clair chez les souris 1 et 2, où les densités de globules rouges devraient rebondir plus rapidement qu'elles ne le font réellement. Cela suggère que la production de globules rouges chez les souris présentant des infections mixtes est plus lente que chez les souris infectées par un seul clone, puisque nous avons utilisé les estimations des paramètres d'un seul clone pour générer ces prédictions. Malgré ces différences, les prédictions de densité parasitaire sont très bonnes, prédisant à la fois le bon moment des pics et l'ampleur de la première vague de parasites. Les prédictions et les données du modèle commencent à diverger après le premier pic, le modèle surestimant le niveau d'exclusion compétitive du clone DK le moins virulent par le clone AS relativement plus virulent. Figure 4 :

Données expérimentales et prédictions de modèles pour la dynamique des globules rouges (RBC) dans les expériences de compétition. Cercles, valeurs observées Lignes solides, les prédictions du modèle. Les infections sont à 10 6 AS et 10 6 parasites DKR,N,R, etN sont spécifiques au clone et sont définies sur les valeurs répertoriées dans le tableau C2 pour les 10 6 expériences sur un seul clone, et0 et ??UNE sont fixés à la moyenne des valeurs obtenues à partir de ces expériences et est fixé à 2, tel qu'obtenu à partir des données AS 106.

Données expérimentales et prédictions de modèles pour la dynamique des parasites dans les expériences de compétition. rouge, AS parasites bleu, parasites DK cercles, valeurs observées Lignes solides, les prédictions du modèle. Les paramètres sont les mêmes que dans la figure 4.


2. Arrière plan

Dans cette section, nous présentons d'abord les concepts du développement biologique qui servent d'inspiration pour notre approche de la mise en scène du processus d'auto-assemblage. Ensuite, nous décrivons un modèle abstrait pour l'auto-assemblage et son extension par étapes, utilisé pour étudier la nature algorithmique du processus d'auto-assemblage.Enfin, nous donnons des exemples de systèmes physiques mis en scène pour contraster notre approche de mise en scène.

2.1 Développement biologique

Le développement biologique utilise des étapes explicites dans sa fourniture d'une solution à la construction d'organismes multicellulaires [36]. Les étapes explicites du développement biologique, telles que l'invagination, la gastrulation et la formation d'un plan corporel, sont souvent irréversibles et ne peuvent pas être répétées à des étapes ultérieures. Le développement par étapes dans la nature permet la création de phénotypes plus complexes, ce qui autrement ne serait pas possible [36].

Parmi les processus impliqués dans le développement biologique, nous nous concentrons sur formation de motifs et morphogenèse dans le cadre de la recherche présentée ici. La formation de motifs est le processus par lequel un motif spatial et temporel (forme ou fonction) des activités cellulaires est organisé. Par exemple, la formation de motifs est impliquée dans la planification corporelle initiale chez les embryons, ce qui entraîne la création d'un système coordonné basé sur trois axes (antérieur-postérieur, dorsal-ventral et gauche-droit par rapport à un corps). Un mécanisme pour la façon dont les cellules acquièrent une identité et une valeur de position (par rapport à un axe et des contraintes de frontière) utilise une diffusion morphogène pente. La morphogenèse est un processus aboutissant à la forme 3D d'un organisme (par exemple, en utilisant migration cellulaire dans le développement de l'embryon).

Dans le développement biologique, la mise en scène résulte de facteurs environnementaux des cellules déclenchant l'activation et la suppression de divers réseaux de régulation génique au sein des cellules à différents moments et emplacements. Des modèles informatiques pour la biologie du développement évolutif ont été développés [20], où l'évolution artificielle est utilisée pour concevoir une solution et le développement est utilisé pour construire la solution. Par exemple, des structures ont été développées dans des logiciels qui modélisent le développement et la différenciation cellulaire, qui étaient capables de s'auto-réparer lorsqu'elles étaient endommagées [21].

2.2 Auto-assemblage algorithmique

Un défi à la création de systèmes d'auto-assemblage est l'utilisation de composants fixes par opposition aux composants qui peuvent se différencier et communiquer (par exemple, les cellules dans les organismes biologiques). Nanotechnologie de l'ADN et calcul de l'ADN sont deux applications utilisant des composants fixes. À l'échelle nanométrique, l'ADN est considéré comme l'un des matériaux les plus prometteurs pour la création de la nanotechnologie, en raison de ses propriétés inhérentes d'auto-assemblage [30, 31]. La nanotechnologie de l'ADN a été inventée par Nadrian Seeman [25], qui a réalisé que les réseaux 3D pouvaient être utilisés pour diriger des molécules, simplifiant ainsi leur étude cristallographique. Une classe de composants à l'échelle nanométrique, tuiles d'ADN, ont été développés pour créer des structures en treillis [35]. Les tuiles d'ADN utilisent un ADN double brin entrelacé pour créer le corps carré d'une tuile, et des brins d'ADN simples s'étendent depuis les bords du corps d'une tuile [35]. Dans le calcul de l'ADN, l'ADN est manipulé pour former des formes (par exemple, des tuiles d'ADN) qui peuvent interagir et s'auto-assembler pour calculer physiquement des fonctions [24]. Le développement de mécanismes permettant au processus d'auto-assemblage de créer des structures cibles est nécessaire pour faire progresser ces deux domaines. De tels mécanismes incluent la conception des composants (par exemple, les domaines de forme et de liaison), la conception des environnements (par exemple, des conditions stables par rapport aux conditions variables) et la conception des interactions (par exemple, l'utilisation de contraintes pour dicter les interactions composant à composant). Les modèles d'auto-assemblage suivants sont fournis pour passer en revue les avancées théoriques de la construction par étapes.

Erik Winfree a créé le modèle abstrait d'assemblage de carreaux (aTAM) pour étudier le processus d'auto-assemblage [34]. L'objectif de l'aTAM était de lier calcul et auto-assemblage en modélisant la croissance pseudocristalline. L'aTAM fournit un cadre théorique pour étudier le processus étape par étape de l'auto-assemblage de tuiles d'ADN 2D dans un environnement en treillis carré pour créer une structure cible, auto-assemblage algorithmique [34]. L'aTAM a été utilisé pour étudier la construction algorithmique de structures, telles qu'un m × m carré (). La construction d'un carré est problématique, car l'assemblage des tuiles doit être coordonné pour éviter l'apparition de trous.

Dans l'aTAM, un type de tuile est défini par les domaines de liaison sur les bords nord, ouest, sud et est d'une tuile. Au moins une tuile germe doit être spécifiée pour démarrer le processus d'auto-assemblage. Les tuiles ne peuvent pas être tournées ou réfléchies. Pas plus d'un type de tuile ne peut être utilisé à un emplacement d'assemblage dans la structure de culture. Les types de tuiles sont en quantité infinie, à concentration égale, dans le modèle. Toutes les tuiles sont ajoutées au même environnement (mélange en un seul pot). Une tuile germe est d'abord placée dans l'environnement en treillis carré, et des tuiles supplémentaires sont ajoutées une à la fois si les contraintes de liaison sont satisfaites.

Dans le contexte théorique de l'aTAM, le Température du système dicte quelles tuiles peuvent s'auto-assembler. Les carreaux ne peuvent s'auto-assembler que si les domaines de liaison atteignent ou dépassent le paramètre de température, . Dans l'aTAM, chaque domaine de liaison se voit attribuer un force valeur . À1 (température 1), toute force de liaison de 1 ou plus est suffisante à elle seule pour assembler deux carreaux ensemble. À2 (température 2) une seule liaison de force 1 est insuffisante pour assembler deux tuiles ensemble. Par conséquent, au moins deux liaisons de résistance 2 sont nécessaires pour assembler une tuile à la structure en croissance. En conséquence, la température dicte lien coopératif.

Cependant, la réalisation physique de Φ2 les systèmes à base de tuiles se sont avérés difficiles (par exemple, des attachements partiels se produisent entre les composants), et des enquêtes continues sur les caractéristiques de l'auto-assemblage à Φ1 sont requis [23]. Deux extensions à l'aTAM à Φ1 inclure le modèle d'assemblage de tuiles par étapes (sTAM) et le modèle d'assemblage de carreaux de colle restreinte (rgTAM).

Le sTAM relève le défi d'utiliser un ensemble de composants fixes avec des mécanismes de liaison limités (c. Les tuiles peuvent être ajoutées ou supprimées d'un ensemble d'environnements dans le sTAM. Ces opérations abstraites d'ajout et de suppression de tuiles dans le sTAM sont basées sur les opérations de laboratoire d'ajout et de filtrage de composants à base d'ADN vers et depuis des solutions qui peuvent être mélangées. Comme avec l'aTAM, le sTAM a été utilisé pour étudier la construction algorithmique de systèmes entièrement connectés. m × m carrés. Le sTAM a montré une efficacité algorithmique avec des ensembles de tuiles et des mécanismes de liaison minimaux (ne nécessitant pas de liaison coopérative, c'est-à-dire,1) dans la construction de carrés entièrement connectés. Cette efficacité est due à la mise en scène, et est un avantage par rapport à l'aTAM lui-même, qui repose sur la liaison coopérative à Φ2 [29] ou d'autres extensions de l'aTAM en faisant varier la température [18] ou en faisant varier la concentration des tuiles [1, 13].

Contrairement au sTAM, qui repose sur la mise en scène pour permettre le processus d'auto-assemblage à Φ1, le rgTAM repose sur des forces de colle restreintes (c'est-à-dire des forces de liaison) [23]. Le rgTAM est contraint à des forces de collage de -1, 0 et 1 (c'est-à-dire répulsif, neutre et attrayant - sens neutre où aucun assemblage ne peut se produire). Les types de colle en conflit ne sont pas capables d'interagir les uns avec les autres (c'est-à-dire que la matrice d'interaction de la colle est diagonale). Le terme « restreint » dans le nom « rgTAM » est utilisé pour le distinguer des autres extensions de l'aTAM qui utilisent des types de colle négatifs et des matrices d'interaction de colle non diagonales. La création physique de tuiles d'ADN avec des interactions répulsives (colles négatives) peut être réalisée en attachant des particules magnétiques à l'ADN [19, 27]. En utilisant des forces de colle répulsives, neutres et attrayantes, le rgTAM peut exploiter le concept d'un système d'assemblage de tuiles en zigzag [dix]. Les systèmes en zigzag sont ceux qui poussent horizontalement une rangée à la fois, en alternant la croissance de gauche à droite et de droite à gauche dans une seule direction (par exemple, nord et non sud). La combinaison de forces de colle répulsives, neutres et attrayantes est utilisée pour permettre la séquence d'auto-assemblage d'une structure cible, telle qu'une structure entièrement connectée. m × m carré, en faisant croître la structure temporellement et spatialement une rangée à la fois. En revanche, un m × m carré peut être obtenu à l'aide de l'aTAM en (1) utilisant une tuile germe comme l'un des coins du carré, (2) en utilisant des liaisons de force 2, s'étendant à partir de la tuile germe, pour définir la longueur et la largeur du carré, et (3) en utilisant des obligations coopératives à Φ2 pour compléter l'intérieur de la place.

L'aTAM a également été étendu à la 3D en utilisant des tuiles cubiques [39]. L'intérêt des tuiles d'ADN 3D a été démontré dans le calcul de certains types de fonctions par auto-assemblage [26]. Cependant, la création physique de tuiles d'ADN 3D ne semble pas avoir été réalisée à ce jour.

2.3 Systèmes d'auto-assemblage par étapes physiques

Développement situé est une autre méthode d'étude de la construction par étapes, où l'évolution artificielle a été utilisée pour faire évoluer le plan d'assemblage d'une structure [28]. Basés sur l'impression 3D, les plans d'assemblage ont été élaborés à l'aide de permanent et temporaire composants qui ont été « déposés » dans un environnement. Les composants temporaires agissent comme des échafaudages et peuvent être retirés (représentant comment le matériau de support peut être retiré en impression 3D).

Contrairement à [12, 23, 28], deux exemples d'auto-assemblage physique par étapes incluent l'utilisation de modèles d'environnement [38] et de concentrations de composants [15], qui permettent tous deux l'auto-assemblage dans un processus en deux étapes. Des modèles ont été utilisés pour auto-assembler des billes sphériques en sous-structures avec des motifs spécifiques (par exemple, des formes linéaires, triangulaires et hexagonales), après quoi les sous-structures ont été placées dans un nouvel environnement pour former diverses structures en treillis. Des composants de motif d'étoile à trois branches ont été utilisés pour auto-assembler des tétraèdres, des dodécaèdres et des buckyballs en contrôlant la longueur du motif et la concentration des composants. Malgré ce travail, il existe peu (voire aucune) littérature décrivant l'utilisation d'informations morphologiques pour mettre en scène le processus d'auto-assemblage.


3. Les coronavirus humains (HCoV)

3.1. Histoire

Le coronavirus humain (HCoV) a été caractérisé pour la première fois dans les années 1960 [35]. Tyrell et Bynoe de la Common Cold Unit, en Angleterre, ont étudié des échantillons de patients atteints du rhume et isolé un nouveau virus pseudo-grippal dans les années 1960. Ces virus ont été étiquetés comme B814 et ont été signalés comme étant de nature sensible à l'éther. Initialement, ils étaient incapables de cultiver B814 en utilisant les techniques de culture standard disponibles. Cependant, en 1965, ils ont réussi à cultiver le B814 dans des cultures d'organes [ [35] , [36] , [37] , [38] ]. En 1966, Hamre et Procknow de l'Université de Chicago ont isolé et signalé la présence d'un nouveau virus à ARN associé à une maladie respiratoire. Ce virus était marqué 229E et il présentait une sensibilité à l'éther comme le virus B814 [ 39 ].

Les virus B814 et 229E ont été caractérisés par microscopie électronique par Almeida et Tyrell. Ces virus sensibles à l'éther auraient été indiscernables les uns des autres ainsi que le virus de la bronchite infectieuse aviaire (IBV) [ 40 ].

Ces nouveaux virus ainsi que d'autres virus animaux morphologiquement identiques tels que l'IBV ont été regroupés dans un nouveau genre appelé 𠇌oronavirus” (mot latin 𠇌orona” signifiant 𠇌rown”) en 1968. Ils ont été nommés d'après la frange caractéristique ou des projections arrondies en forme de couronne sur leur surface (ressemblant à la couronne solaire) observées au microscope électronique [41]. En 1975, les coronavirus ont été regroupés sous une nouvelle famille de virus nommés 𠇌oronaviridae” [42].

Outre les HCoV susmentionnés, plusieurs autres souches de HCoV ont été identifiées, dont le HCoV-OC43 (1967), le SARS-CoV (2002 & 020132003), le HCoV-NL63 (2004), le HCoV-HKU1 (2005), Middle Syndrome respiratoire de l'Est (MERS)-CoV (2012) et SARS-CoV-2 (2019) [ [43] , [44] , [45] ].

Les HCoV tels que 229E, OC43, NL63 et HKU1 sont connus sous le nom de CoV endémiques. Ils sont couramment présents dans la population humaine et sont connus pour provoquer des infections respiratoires bénignes [46]. Cependant, les HCOV tels que le SARS-CoV, le MERS-CoV et le SARS-CoV-2 sont les virus les plus mortels qui ont provoqué l'épidémie mondiale et infecté des milliers de personnes dans le monde [44].

Vers la fin de 2002, l'émergence d'un virus infectieux a été signalée dans la province du Guangdong, en Chine. Il a été signalé que ce virus se transmettait d'humain à humain et a ensuite été identifié comme le SRAS-CoV en 2002 & 020132003. Les personnes infectées présentaient principalement des symptômes tels que fièvre, toux, myalgie, etc. Les autres symptômes comprenaient des maux de tête, une dyspnée, des maux de tête, une hypoxémie, des vomissements, etc. [ [45] , [46] , [47] , [48] , [49] ]. Dans certains cas, la survenue d'une pneumonie et d'un SDRA avait également été rapportée [ 48 ].

En 2012, l'émergence d'un autre nouveau HCoV infectieux, plus tard nommé MERS-CoV, a été signalée. Le premier cas a été signalé en Arabie saoudite mais s'est rapidement propagé dans toute la péninsule arabique [50, 51]. Plusieurs cas ont également été rapportés en Asie, en Europe et en Afrique [52]. La transmission du MERS-CoV se produirait passant par d'humain à humain ainsi que de dromadaire à humain. Cependant, les cas d'infection du chameau à l'homme sont comparativement moins nombreux [ 53 ]. Les personnes infectées présentent initialement des symptômes tels que fièvre, maux de tête, toux, myalgie, etc. Cependant, la maladie peut évoluer dans les cas graves et provoquer une pneumonie, un SDRA, un choc septique ainsi qu'une défaillance multiviscérale pouvant être fatale. En outre, des cas d'infection asymptomatique par le MERS-CoV ont également été rapportés [ 44 ].

Le nouveau coronavirus SARS-CoV-2 récemment identifié appartient au genre β-coronavirus de la famille des Coronaviridae [54]. Il aurait partagé 96 % et 79,6 % d'identité de séquence avec la chauve-souris CoVRaTG13 et SARS-CoV, respectivement [ 8 ].

3.2. Origine et caractéristiques structurelles

Les coronavirus (CoV) sont des virus à ARN simple brin positif. Leur génome a une longueur d'environ 26� kb [ 44 ]. Ils appartiennent à la famille des coronaviridae de l'ordre des nidovirales et sont classés dans les genres – alpha (α), bêta (β), gamma (γ) et delta (δ) coronavirus [54 ]. Les CoV α- et β-CoV incluent à la fois les CoV humains et animaux. Les HCoV tels que 229E, NL63 appartiennent au α-CoV tandis que les OC43, HKU1, SARS-CoV, MERS-CoV et SARS-CoV-2 appartiennent aux β-CoV. Les γ- et δ-CoV sont principalement constitués de coronavirus aviaires.45.

Le génome viral du CoV code quatre protéines structurelles importantes. Ce sont - les protéines d'enveloppe (E), de pointe (S), de membrane (M) et de nucléocapside (N) [ 54 ]. Les protéines E, S et M sont ancrées dans la bicouche lipidique de l'enveloppe virale [ 55 ] La protéine M est d'environ 25� kDa et donne forme au virus. La protéine E est d'environ 8� kDa et favorise la libération virale. Ensemble, les protéines M et E sont associées à l'assemblage viral. De plus, ils facilitent également la maturation des enveloppes virales [ 56 ]. La protéine N est impliquée dans la formation de la nucléocapside. Il se lie au génome viral et joue un rôle essentiel dans l'encapsidation virale [ 55 ]. La protéine S (protéine de fusion de classe I) est d'environ 150 kDa. Il est responsable des protubérances caractéristiques en forme de pointes sur le virus. Il comprend des sous-unités S1 et S2 et subit un clivage par une protéase de type furine chez l'hôte. La sous-unité S1 contient un domaine de liaison au récepteur (RBD). Il se lie au récepteur hôte de l'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2). La sous-unité S2 de la protéine S virale fusionne alors avec la membrane cellulaire de l'hôte. Cela facilite l'entrée virale dans les cellules hôtes [ [56] , [57] , [58] ].

3.3. Mécanisme d'entrée du SARS-CoV-2 dans les cellules

Jusqu'à présent, le mécanisme de l'infection par le SRAS-COV-2 n'est pas complètement élucidé. Plusieurs études sont menées à l'échelle mondiale sur le SRAS-COV-2 pour élucider le mécanisme d'infection et la pathogenèse du nouveau coronavirus. Les β-CoVs - SARS-CoV et SARS-CoV-2 sont sensiblement identiques et sont considérés comme infectant les humains de la même manière. La protéine S contribue substantiellement à la fixation et à la fusion du virus avec la cellule hôte. Le RBD de la sous-unité S1 de la protéine S virale se lie au récepteur de la cellule hôte qui initie l'infection virale.

Des études ont rapporté que le SARS-CoV et le SARS-CoV-2 utilisent le même récepteur humain ACE2 (hACE2) pour se fixer aux cellules hôtes [ 8 ]. Le récepteur ACE2 est significativement exprimé dans les cellules épithéliales alvéolaires, de la muqueuse buccale et nasale de type II [ [59] , [60] , [61] ]. Les voies respiratoires, la cornée, le cœur, les reins, etc., expriment également le récepteur ACE2 [ 59 ]. Ces organes sont très vulnérables et les plus touchés par le COVID-19 [ 62 ].

Une étude récente a rapporté que le SARS-CoV-2 a une plus grande affinité pour le récepteur hACE2 que le SARS-CoV. Ils ont en outre déclaré que les altérations structurelles de la crête de liaison à l'ACE2 du SARS-CoV-2 RBD sont responsables de la haute affinité envers le récepteur hACE2 [63]. L'enzyme furine clive la protéine S du SRAS-CoV-2 au site S1/S2 et expose la sous-unité S2 qui médie la fusion des membranes virale et hôte [58, 64]. Ce clivage est responsable de la pré-activation de la protéine S qui favorise l'entrée virale subséquente dépendante de la sérine protéase transmembranaire de type II (TMPRSS2) dans les cellules hôtes [64]. Le TMPRSS2 est considéré comme important pour l'entrée du SRAS-CoV dans la cellule hôte. Une expression plus large de TMPRSS2 est signalée dans la cavité nasale, les poumons, le côlon, la vésicule biliaire, les reins, la prostate, le pancréas, le cœur, etc. De plus, les cellules épithéliales nasales sont enrichies en TMPRSS2 ainsi qu'en récepteur ACE2 [59]. Le TMPRSS2 amorce la protéine S virale liée au récepteur ACE2 conduisant à un changement de conformation [64, 65]. Ce changement de conformation active la protéine S et facilite l'entrée virale dans les cellules hôtes. De plus, il efface également le récepteur ACE2 [58].

Une étude a rapporté que TMPRSS2 est exprimé spécifiquement dans les types de cellules ACE2 +. En outre, ils ont également déclaré que l'expression de protéases telles que la cathepsine B (Cat B) était observée dans 㹰�% des cellules ACE2 +. Dans l'ensemble, leurs découvertes impliquaient que le SRAS-CoV-2 pourrait également utiliser des voies alternatives d'entrée [59]. Des résultats similaires ont également été signalés dans un autre in vitro étude qui a démontré que le SRAS-CoV-2 dépend à la fois de la cathepsine B/L (CatB/L) et du TMPRSS2 pour l'amorçage et l'entrée dans la cellule hôte. Leur étude a montré que l'inhibition de l'une quelconque de ces protéases conduit à une inhibition partielle de l'entrée virale. Cela suggère qu'en l'absence de TMPRSS2, le virus peut utiliser CatB/L pour son entrée et vice versa [ 66 ].

Après l'entrée, le SARS-CoV-2 libère son matériel génomique (ARNm) dans le cytoplasme. Il prend en charge la machinerie de synthèse des protéines chez l'hôte et traduit l'ARNm dans le noyau.En outre, il utilise également la machinerie pour synthétiser des protéines virales et initie ensuite la réplication virale [58] (Fig. 2).

Mécanisme d'entrée du SARS-CoV-2 dans les cellules. A. Liaison du pic SARS-CoV-2 au récepteur ACE2 de l'hôte. B. Clivage du pic SARS-CoV-2 par TMPRSS2, fusion membranaire, infection et libération d'ARN viral dans la cellule hôte.

Abréviations : ACE2 : enzyme de conversion de l'angiotensine-2, NTD : domaine N-terminal, RBD : domaine de liaison au récepteur, protéine S : protéine de pointe, SARS-CoV-2 : coronavirus-2 respiratoire aigu sévère.


Les méthodes conventionnelles ne sont pas efficaces et efficientes pour le seuillage d'images à plusieurs niveaux en raison d'un coût de calcul long et coûteux. Le problème de seuillage multi-niveaux peut être posé comme un problème d'optimisation, optimisant certains critères de seuillage. Dans cet article, le calcul membranaire est introduit pour proposer une méthode de seuillage multi-niveaux efficace et robuste, où un système P de type cellulaire avec la structure imbriquée de trois couches est conçu comme cadre de calcul. De plus, un modèle vitesse-position amélioré est développé pour faire évoluer les objets dans les membranes sur la base de la structure spéciale de la membrane et du mécanisme de communication des objets. Sous le contrôle du mécanisme d'évolution-communication des objets, le système P de type cellulaire peut exploiter efficacement les meilleurs seuils multi-niveaux pour une image. Des expériences de simulation sur neuf images standard comparent la méthode de seuillage multi-niveaux proposée avec plusieurs méthodes de seuillage multi-niveaux de pointe et démontrent sa supériorité.

Hong Peng a reçu le B.Sc. et le diplôme M.E. en mathématiques de l'Université normale du Sichuan, Chengdu, Chine en 1987 et 1990, et le doctorat. diplôme en traitement du signal et de l'information de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, Chengdu, Chine en 2010.

Il a été maître de conférences au Sichuan College of Science and Technology, Chine (1990-1999) et professeur agrégé à l'Université de Xihua, Chine (2000-2004). Il a été chercheur invité au Groupe de recherche en informatique naturelle, Université de Séville, Espagne (2011.09–2012.08). Il est actuellement professeur au Center for Radio Administration and Technology Development, Xihua University, Chine depuis 2005. Ses intérêts de recherche incluent le calcul membranaire, le traitement d'images, le traitement du signal et les méthodes du noyau.

Jun Wang a reçu le B.Sc. et le diplôme de maîtrise en automatisation industrielle de l'Université de Chongqing, en Chine en 1988 et 1991, respectivement le doctorat. diplôme en génie électrique de la Southwest Jiaotong University, Chine en 2006.

Elle a été conférencière au Sichuan College of Science and Technology, Chine (1991-2003) et professeure associée à l'Université de Xihua, Chine (1998-2003). Elle est actuellement professeure à l'École d'ingénierie électrique et informatique de l'Université de Xihua, en Chine depuis 2004. Ses intérêts de recherche incluent l'automatisation électrique, le contrôle intelligent et l'informatique membranaire.

Mario J. Pérez Jiménez obtenu un B.Sc. diplôme en mathématiques de l'Université de Barcelone, Espagne en 1971 et doctorat. diplôme en mathématiques de l'Université de Séville, Espagne en 1992.

Il a été professeur assistant à l'Université de Barcelone (1971-1983) et professeur invité à l'Université des sciences et technologies de Huazhong, à Wuhan, en Chine (à partir de 2005). Actuellement, il est membre de l'Academia Europaea (Académie de l'Europe) et professeur titulaire au Département d'informatique et d'intelligence artificielle de l'Université de Séville, en Espagne, où il dirige le groupe de recherche sur l'informatique naturelle. Ses intérêts de recherche comprennent la théorie du calcul, la théorie de la complexité computationnelle, l'informatique naturelle (calcul de l'ADN et calcul membranaire), la bioinformatique et la modélisation informatique pour la biologie des systèmes et la biologie des populations. Il a publié douze livres en informatique et mathématiques, et plus de 250 articles scientifiques dans des revues internationales (collaborant avec de nombreux chercheurs du monde entier).


Mots clés

M. Mahdi Tavalaei est maître de conférences (professeur adjoint) à la Surrey Business School et membre du Centre of Digital Economy (CoDE) de l'Université de Surrey au Royaume-Uni. Ses recherches portent principalement sur la stratégie concurrentielle, en particulier dans les marchés multifaces et les écosystèmes de plateformes.

Carmelo Cennamo est professeur de stratégie et d'entrepreneuriat à la Copenhagen Business School, au Danemark. Gestion, Italie. Ses principaux intérêts de recherche portent sur la concurrence sur les marchés des plateformes, la gestion des écosystèmes de plateformes et la transformation numérique.


Développement de circuits combinatoires par encodage sur la base de la biologie du développement

Le présent travail visualise l'évolution des circuits numériques primitifs comme un problème de développement. Le développement du circuit numérique est mis en œuvre de la même manière que le développement d'un embryon humain d'une seule cellule à l'organisme complet. Les éléments constitutifs d'un circuit numérique primitif sont codés en chaînes binaires. Chaque chaîne binaire est considérée comme une cellule, et plusieurs de ces cellules sont autorisées à adhérer et à se multiplier avant de culminer en un organisme développé. La chaîne binaire de la cellule est en outre mappée sur un attribut particulier qui définit le constituant du circuit numérique complet mis en œuvre. Le présent travail illustre le développement d'un circuit numérique combinatoire à 4 entrées. Le développement de la fonction majoritaire à 2 entrées est illustré et les résultats sont présentés pour la porte Ex-OR à 2 entrées, la fonction majoritaire à 2 entrées avec 4 variables d'entrée et un circuit multiplexeur 2 à 1. Le développement du circuit numérique ressemble au développement d'un embryon dans un organisme vivant.

1. Introduction

Le monde biologique a démontré que l'organisme le plus apte survit dans le temps. Une modification du génome de l'organisme entraîne des modifications initiales du phénotype. Ces changements se manifestent dans la progéniture au fil du temps. Nous appelons ce processus l'évolution. Le changement qui se produit dans le génotype de l'organisme est soit aléatoire, soit forcé par l'environnement. Comprendre et imiter la nature a conduit à un tout nouveau domaine d'algorithmes évolutionnaires, dont les objectifs principaux sont la recherche et l'optimisation de problèmes multivariables. L'algorithme génétique (GA), les stratégies évolutives (ES) et la programmation évolutive (EP) sont des stratégies alternatives suivies par différents groupes de chercheurs travaillant sur une gamme de problèmes divers.

Le présent travail est basé sur la prémisse que le développement est la clé de l'évolution. L'adaptabilité de tout organisme repose sur la flexibilité de l'organisme aux changements à l'intérieur et à l'extérieur de lui. La flexibilité et l'adaptabilité éventuelle n'auraient de sens que lorsque le cadre organisationnel de l'organisme est intact. Ainsi, le développement est considéré comme la clé de l'évolution d'une espèce. Le travail proposé est une tentative d'émuler l'adaptabilité de l'organisme biologique au matériel numérique.

Les espèces biologiques subissent un cycle de développement hautement déterministe. Le développement embryonnaire de toute espèce commence avec un seul organisme cellulaire. La cellule unique subit un processus consistant en plus d'un stade de développement, conçu naturellement, pour devenir un organisme multicellulaire. Le travail proposé vise à créer un cycle de développement pour la conception de matériel numérique. Le matériel numérique est représenté par une expression booléenne. Une expression booléenne composée de quelques portes peut être représentée soit comme une somme de produit, soit comme une expression de produit de somme. Le travail proposé a tenté de savoir si l'expression booléenne peut être développée en utilisant des primitives imitant le cycle de développement d'un organisme biologique.

Le présent travail est également motivé par des tentatives incluant des ensembles de Mandelbrot, dans lesquelles Mandelbrot a développé des motifs en utilisant une équation simple. Les systèmes Lindenmayer, communément appelés systèmes L, reposaient sur des procédures pas à pas pour développer des modèles complexes et symétriques à partir de primitives simples.

Le présent travail propose un algorithme de développement, similaire en ligne avec le développement embryonnaire d'une espèce biologique, pour le circuit électronique. Dans le processus, un codage distinct de chaque composant d'un circuit par une chaîne binaire est effectué. Le codage de chacun des composants et son association avec d'autres composants du circuit sont effectués qui ressemblent au codage d'ADN de l'espèce biologique. La représentation binaire a également ouvert la voie nécessaire pour inclure la mutation au moyen d'un retournement de bits. Le génome d'un circuit est considéré comme spécifique à la fonctionnalité du circuit.

Le travail proposé vise le développement du circuit électronique tel qu'un embryon se développe dans un monde biologique. Ceci est réalisé par codage binaire de chacun des composants puis conception d'un algorithme pour l'élaboration du circuit. Le travail proposé serait une plate-forme idéale pour la conception de systèmes tolérants aux pannes et de circuits d'auto-réparation.

2. Enquête bibliographique

Des tentatives ont été menées pour déterminer l'adaptabilité de diverses méthodes évolutives dans l'optimisation de divers problèmes [1]. Parmi les problèmes d'ingénierie adoptés avec succès pour la conception matérielle pratique, les plus importants sont la conception d'une antenne [2], la table [3], la conception des pales de rotor [4] et les propriétés physiques du substrat de silicium [5]. On peut mentionner en passant que le comportement social des oiseaux [6], du lion [7-9] et des êtres humains [10] a également été formulé comme un problème d'optimisation.

L'élaboration d'un circuit numérique à portes fondamentales commence par une table de vérité du circuit. Pour m variables, il faut 2m combinaisons à vérifier pour déterminer une expression booléenne. Ce problème est appelé problème de satisfiabilité (SAT). Le temps requis pour un problème booléen SAT augmente de façon exponentielle avec l'augmentation du nombre de variables. Perdrycz et al. a géré les défis liés à l'application du calcul évolutif (EC) pour un problème SAT booléen en convertissant le problème booléen en un domaine continu [11]. De Jong et Spears ont géré la même chose en convertissant des variables booléennes en nombres à virgule flottante [12]. Slowik et Bialko dans [13] ont présenté une étude complète sur l'application des EA à la conception de circuits numériques.

L'idée de faire évoluer des circuits optimisés en codant les composants et les interconnexions entre eux a été démontrée dans [14]. Une tentative d'application de la programmation génétique pour faire évoluer un programme informatique adapté est présentée par Koza dans [15]. Coello [16] a utilisé l'algorithme génétique pour concevoir des additionneurs et des multiplicateurs. Dans [17], Miller et al. a proposé une conception de circuit combinatoire basée sur un algorithme génétique qui a été modélisée sur un FPGA. Ces efforts ont conduit à la conception et au développement de circuits numériques construits sur un réseau de portes contrôlées par des critères prédéterminés [18, 19]. Un modèle modifié, appelé modèle de développement comportant deux couches, une couche de protéine et une couche d'architecture, a été proposé par Gordon et Bentley dans [20]. Le présent travail vise à développer un circuit numérique sans matrice prédéfinie. Les sections suivantes traitent de la même chose en détail. La section 2 traite de la conception du système utilisant des cellules artificielles. L'algorithme proposé est donné dans la section 3. Un exemple de circuit combinatoire est discuté dans la section 4. La section 5 discute des résultats de l'algorithme.

3. Conception de système avec des cellules artificielles

3.1. Développement de circuits combinés

Cet article propose un modèle pour le développement d'un circuit numérique. Divers composants constituant le circuit sont visualisés sous la forme d'une cellule biologique constituant un organe. Chaque composant, avec son modèle d'entrée associé, est codé avec une chaîne binaire unique. Pour un circuit numérique à 7 niveaux, la longueur de la chaîne binaire codée pour une seule cellule est définie par une relation empirique donnée dans l'équation suivante :


Voir la vidéo: Cest pas sorcier - ODYSSEE DES PLANTES (Mai 2022).


Commentaires:

  1. Woodman

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  2. Dujar

    J'avais l'habitude de penser différemment, merci pour l'explication.

  3. Adamson

    Vous avez fait ne pas revenir en arrière. Qui est fait, est fait.

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