Le devis didactique des connaissances 1

Dans cette section, nous présenterons les compétences et les connaissances mobilisées par l’élève lorsqu’il se place dans la démarche générale de réalisation d’un instrument de mesure.

Dans un premier temps, en Science et technologie, l'élève devrait aborder plusieurs éléments du programme de formation. Tout d'abord, concernant les compétences, lors de la réalisation des trois premiers instruments de mesure, nous pensons qu'il développera la compétence disciplinaire 1, chercher des réponses ou des solutions à des problèmes d’ordre scientifique ou technologique, dont les quatre composantes sont cerner un problème, élaborer un plan d’action, concrétiser le plan d’action et analyser les résultats. Différentes manifestations observables de ces composantes (voir tableau I) devraient se

10 _{Par connaissances, nous entendons les connaissances déclaratives, procédurales et conditionnelles. Les}

savoirs sont des connaissances déclaratives qui correspondent aux concepts prescrits (connaissances conceptuelles) et aux repères culturels (connaissances factuelles) du programme. Les savoir-faire sont des connaissances procédurales qui font référence aux démarches du programme. Les savoir-être sont des connaissances conditionnelles qui correspondent aux stratégies et aux attitudes du programme. Les savoir- agir sont des compétences qui mobilisent adéquatement l’ensemble de ces connaissances.

93 manifester dans la construction d’un instrument de mesure. Lors de la construction du quatrième et dernier instrument de mesure, le manomètre, à partir de ces manifestations observables et des quatre critères d'évaluation de cette compétence, nous évaluerons la capacité de l’élève à mobiliser cette compétence pour résoudre un problème en situation adidactique. Ces critères d’évaluation sont les suivants : 1) représentation adéquate de la situation, 2) élaboration d’un plan d’action pertinent, adapté à la situation, 3) mise en œuvre adéquate du plan d’action et 4) élaboration de conclusions, d'explications ou de solutions pertinentes (MELS, 2010, p.14). La grille d’évaluation développée pour évaluer cette compétence sera présentée dans le chapitre analyse et interprétation des résultats.

Ensuite, lors de la réalisation des trois premiers instruments de mesure, nous pensons qu’il développera aussi la compétence transversale 6, exploiter les technologies de l’information et de la communication (TIC), dont les trois composantes sont utiliser les technologies appropriées, tirer profit de l’utilisation de la technologie, évaluer l’efficacité de l’utilisation de la technologie. Différentes manifestations observables de ces composantes (voir tableau II) se manifestent lors de la manipulation du logiciel par l’apprenant. Lors de la réalisation du manomètre, à partir de ces manifestations observables et des quatre critères d'évaluation de cette compétence, nous évaluerons la capacité de l’élève à mobiliser cette compétence par l’exploitation de l’ExAO en situation nouvelle. Ces critères d’évaluation sont les suivants : 1) efficacité de l’utilisation des ressources technologiques dans un contexte d’apprentissage, 2) réutilisation de procédures et de processus liés aux TIC dans de nouvelles situations, 3) utilisation de stratégies appropriées pour interagir et se dépanner, et 4) analyse de ses choix, de ses réussites et de ses difficultés. La grille d’évaluation développée pour évaluer cette compétence sera présentée dans le chapitre analyse et interprétation des résultats.

Pour construire un instrument de mesure, l'élève aura plusieurs savoir-faire à mobiliser de façon appropriée. Il devra mettre en œuvre la démarche technologique de conception lors de la conception, de la réalisation et de la validation de son instrument de mesure. Cette démarche devra l'amener à développer un objet technologique pour répondre à un besoin en respectant un cahier des charges. Le cahier des charges contient les contraintes techniques dont il faut tenir compte lors de la réalisation, comme le

94 branchement des fils à certaines entrées de la capsule universelle. Ce cahier des charges est inclus dans les protocoles de manipulations destinés aux élèves et prend la forme des schémas de branchement. Le branchement des fils fait appel à une autre démarche, celle de la démarche technologique d'analyse, qui implique « l’examen des diverses composantes d’un objet ou d’un système (...) pour déterminer leurs fonctions respectives » (MELS, 2010, p.26). Ainsi, l’apprenant devra analyser la fonction de chaque fil, en fonction de son code de couleur, permettant de connecter le transducteur aux différentes entrées de la capsule universelle. Un fil branché dans la mauvaise entrée peut entraîner un court-circuit de l’interface.

L'élève devra s'investir dans la démarche expérimentale lors de la mise en relation de différentes variables. C’est par cette démarche que l’élève identifie quelles sont les variables dépendante et indépendante, qu’il applique un schème de contrôle des variables, effectue son montage expérimental, élabore son protocole, mène son expérimentation de transformation ou de validation de l’instrument de mesure. En utilisant l'outil mathématique modéliseur du logiciel MicrolabExAO, l'apprenant devra aussi mettre en œuvre la démarche de modélisation pour donner sens aux mesures issues de l’interaction de variables. Cette démarche « consiste à construire une représentation destinée à concrétiser une situation abstraite, difficilement accessible ou carrément invisible » (MELS, 2010, p. 25). L'élève devrait ainsi faire ressortir d'une interaction de variables abstraites, une relation algébrique décrivant cette interaction. Des stratégies d'exploration comme anticiper les résultats d'une démarche et élaborer divers scénarios possibles devront être utilisées par l'élève lors de la réalisation de son instrument de mesure. Il pourra aussi déployer des stratégies d'analyse comme déterminer les contraintes et les éléments importants pour la résolution d’un problème et faire appel à divers modes de raisonnement pour traiter les informations, comme les raisonnements inductif et déductif, présentés précédemment (Mels, 2010, p.27).

Finalement, l'élève devra mobiliser plusieurs savoirs en Science et technologie pour construire son instrument de mesure. Il devra mobiliser certaines notions d'électricité comme la loi d’Ohm, les circuits électriques (MELS, 2010, p.60) ainsi que des notions en ingénierie électrique comme la fonction d'alimentation, la fonction de conduction,

95 d'isolation et de protection, ainsi que la fonction de commande (MELS, 2010, p.66). En effet, lors de la construction d’un instrument, l'élève devra connecter les composants électroniques du transducteur à la capsule universelle en s'assurant de l'isolation des bornes du transducteur et de l'alimentation adéquate de celui-ci. De plus, il mobilisera des notions sur les matériaux, plus spécifiquement sur les contraintes et sur la caractérisation des propriétés mécaniques, en agençant adéquatement le matériel quand il effectuera par lui- même les montages expérimentaux. Aussi, il pourrait mobiliser des notions relatives à la grandeur physique de chaque instrument de mesure construit, comme la définition de la température s'il construit un thermomètre.

Dans un deuxième temps, en Mathématique, nous pensons que l'élève abordera plusieurs éléments du programme de formation de 4e _{et 5}e _secondaire211_{. Tout d'abord, en} algèbre, lorsqu’il mènera une expérimentation de transformation en vue de déterminer l’équation algébrique de transfert, il devra mettre en œuvre le processus d'analyse de situations faisant appel à des fonctions réelles qui implique expérimentation, observation, interprétation, description et représentation de situations concrètes dans divers registres de représentation (MELS, 2007c, p.88). Ce processus implique aussi la modélisation d'une situation à l'aide de registres de représentation : verbalement, algébriquement, graphiquement et à l'aide d'une table de valeurs (MELS, 2007c, p.87). À partir de mesures issues d'une interaction de variables physiques, l'élève modélisera algébriquement ses données expérimentales pour représenter, interpréter et prédire un phénomène réel. Selon le transducteur utilisé, nous nous limiterons aux fonctions mathématiques suivantes : fonctions polynomiales de degré 0, 1, 2 et 3 et inversement proportionnelle.

Ensuite, en statistique, s’il utilise l’outil mathématique modélisation et incertitude du logiciel MicrolabExAO, l'élève mettra en œuvre le processus d'analyse et de prise de décisions concernant des données statistiques qui portent sur des distributions à un ou deux caractères par la représentation graphique à l'aide du nuage de points, le calcul et l'interprétation de mesures de dispersion comme l'écart-type, l'interpolation et l'extrapolation à l'aide du modèle fonctionnel le mieux ajusté à une situation, ainsi que l'interprétation et la description du lien unissant deux variables (MELS, 2007c, p.91). En

96 effet, avec l'outil modélisation et incertitude, l'élève peut effectuer, par approximations successives, un traitement statistique de ses données pour évaluer l'écart-type entre les mesures prises par l’instrument de mesure construit et celles de l’étalon. De plus, si l'on postule que cet écart se distribue normalement, cet outil lui permettra d'améliorer l'ajustement de la courbe théorique sur ses données expérimentales.

Dans un troisième temps, certains savoirs et savoir-faire que l'élève développera dans notre environnement d'apprentissage ne se situent pas explicitement dans le programme de formation. Tout d'abord, en technologie, pour amener l'élève à mieux saisir la technologie qui l'entoure, nous voulons qu’il comprenne le fonctionnement des instruments de mesure électroniques. Pour ce faire, il devra comprendre le transducteur, le diviseur de tension ainsi que la chaîne de mesure en ExAO. Nous pensons qu’un élève qui conçoit, réalise et valide un instrument de mesure à partir d’un transducteur électronique en saisira son processus de fonctionnement. Il comprendra que l'ordinateur permet d'associer pour chaque grandeur physique mesurée par le transducteur un signal électrique correspondant que l’ordinateur transformera ensuite en mesure affichée à l’écran via l’équation algébrique de transfert.

Ensuite, cette activité permet aussi à l’élève d’étudier des savoirs relatifs à la métrologie comme l’exactitude ou la précision, mais aussi des savoir-faire comme le savoir-mesurer. Suite à l’expérimentation de validation, l’élève pourra déterminer l’exactitude de l’instrument de mesure construit en comparant sa prise de mesure avec celle de l’étalon.

Pour terminer, la réalisation d'un instrument de mesure par l'élève lui permettra de développer une expertise de traitement interdisciplinaire qui mobilise ses compétences dans un processus de résolution de problème. Cette expertise l’amène à effectuer un apprentissage interdisciplinaire (Boix-Mansilla, 2010) et lui permet de saisir le fonctionnement d’un instrument de mesure électronique.

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