Exploring and designing interactive physical-digital tools for quantum physics education

A physique quantique évolue avec l'émergence de nouvelles technologies quantiques. Ces avancées permettent une ouverture à un éventail de possibilités pour de futures applications concrètes. Cependant, le développement de celles-ci exige que de nouvelles générations d'étudiants soient formées, non seulement en tant que chercheurs, mais aussi en tant qu'ingénieurs et techniciens. Pour atteindre cet objectif, l'enseignement joue un rôle central, et, dans le cadre de la physique quantique, devrait évoluer pour répondre à ces besoins. La question de l'enseignement de la physique quantique est intrinsèquement liée à la nature de ses concepts qui sont, dans la plupart des cas, abstraits, contre-intuitifs et fondés sur des théories mathématiques complexes. En conséquence, enseigner la physique quantique reste un défi. Parmi les outils qui aident les élèves à s’approprier des connaissances complexes, les pratiques expérimentales et les outils numériques ont montré des avantages pour la compréhension conceptuelle des étudiants. Dans cette thèse, nous explorons comment l’enseignement de la physique quantique peut tirer parti des outils numériques afin de favoriser ces pratiques expérimentales. Nous proposons de nouvelles approches pour pratiquer et apprendre la physique quantique, basées sur une simulation numérique en temps réel de montages expérimentaux d'optique quantique à travers de multiples formats. Grâce à ces nouveaux outils, la simulation peut être contrôlée à l'aide de composants manipulables physiquement, imitant ainsi les expériences réelles d'optique quantique. Au-delà des avantages pratiques (coût, mise en œuvre, danger), cette approche permet d'enrichir cette simulation par l'ajout d'informations pédagogiques numériques qui relient l'expérience concrète à ses fondations théoriques. La première partie de cette thèse se concentre sur l'évolution des pratiques d’enseignement de la physique quantique, ainsi que sur l'utilisation du numérique dans l'éducation. Elle présente ensuite trois projets, conçus en collaboration avec des experts en éducation et en physique. Le premier, appelé HOBIT, consiste en un dispositif qui combine l'interaction tangible et la réalité augmentée pour simuler un banc optique où les apprenants manipulent des reproductions physiques d'éléments optiques pour réaliser des expériences d'optique ondulatoire. Le second, SHIRE, est une extension de l’expérience proposé par HOBIT sur un logiciel numérique qui peut être exécuté sur les ordinateurs des apprenants. Malgré la perte des interactions tangible, cette approche élargit la gamme des scénarios pédagogiques dans lesquels la simulation peut se dérouler, et ouvrent de nouvelles opportunités. Ce projet comprend également une étude de l’utilisation du logiciel par des professeurs de physique. Enfin, HQBIT, présenté dans la dernière partie de cette thèse, intègre une simulation de la physique quantique ainsi que de nouvelles augmentations pédagogiques. Le but vise à créer un outil numérique hybride favorable à la formation d’une nouvelle génération d'étudiants sur les concepts et l'expérimentation de l'optique quantique. Une étude utilisateur avec des étudiants complète ce projet et fournit une première évaluation de cet outil. Pour conclure cette thèse, j'explore les perspectives qu'apporte HQBIT en termes de collaboration, d'évaluation des résultats d'apprentissage et d'évolution vers les technologies quantiques.