Manipulations attendues pour la réalisation du manomètre

Pour réaliser le manomètre, nous fournirons à l’apprenant seulement le panier contenant le matériel de laboratoire en lui disant que le transducteur qu’il contient permet de mesurer la pression d’un gaz. Ce transducteur est similaire à celui utilisé pour le détecteur de position, c’est-à-dire que tous ses composants électroniques sont intégrés dans un boîtier qui nécessite les trois mêmes connexions à la capsule universelle. Ainsi, l’apprenant devra réaliser cet instrument sans protocoles de manipulations ni directives. C’est avec les données recueillies durant cette séance de construction, qui constitue un examen pratique de laboratoire, que nous évaluerons le degré d’autonomie de la démarche interdisciplinaire de réalisation d’un instrument de mesure par chaque apprenant. Voici la liste du matériel fourni à l’élève :

• Ordinateur avec le logiciel MicrolabExAO • 1 interface d’acquisition de mesure

• 1 capsule universelle • 1 mini tournevis

• 1 transducteur de pression (0 – 3,5V)

• 1 capteur de pression (0 – 1500 hPa) qui se termine par un long tuyau de plastique • 1 tuyau de plastique de longueur identique à celui du capteur de pression ExAO • 1 petit tuyau de plastique

• 1 raccord de plastique à trois branches (en forme de T) • 1 seringue (0-10 ml)

L’apprenant devra agencer adéquatement ce matériel pour réaliser son montage expérimental. Pour ce faire, il lui faudra comprendre les éléments suivants :

• Le capteur de pression ExAO sera ici l’étalon de mesure ; • Une seringue permet de faire varier la pression ;

• Il faut que le transducteur de pression et le capteur de pression ExAO puissent prendre la même variation de pression d’un gaz en utilisant la même seringue :

o Pour ce faire, il faut raccorder le long tuyau de plastique au transducteur ; o Il faut aussi connecter la seringue au raccord en forme T pour distribuer la

même pression dans l’étalon et le transducteur.

Après avoir construit le montage adéquat, présenté plus loin dans cette section, nous nous attendons à ce que chaque élève réalise son manomètre électronique en fonction de la description suivante :

116 1) Connexion des fils sur la capsule universelle :

L’apprenant devra connecter les fils du transducteur à l’aide du mini tournevis en respectant le code de couleur (fil rouge : 5V ; fil noir : 0V ; fil jaune : Signal). 2) Expérimentation de transformation :

Pour déterminer l’équation algébrique de transfert de forme P = f(U) (où P est la pression mesurée par le capteur de pression ExAO et U la tension aux bornes du transducteur), l’apprenant devra sélectionner la fonction transformer ce capteur en décrivant une relation de causalité avec une variable mesurée par MicrolabExAO : Manomètre 0 - 1500 hPa. Il devra ensuite prendre au moins dix données pour obtenir un nuage de points.

3) Modélisation algébrique :

L’apprenant devra sélectionner le modéliseur dans les outils mathématiques et choisir la courbe théorique qui s’apparente le plus au nuage de points obtenu. Il devra superposer cette droite à son nuage de points en y faisant passer le plus de points possible.

4) Assignation et application de l’équation algébrique de transfert :

L’apprenant devra enregistrer l’équation algébrique de transfert et l’appliquer à la mesure prise par le transducteur pour que celui-ci affiche des valeurs de pression. 5) Validation de l’instrument de mesure construit :

Dans un graphique, l’apprenant devra placer sur les axes la mesure du manomètre construit en fonction de la mesure du capteur de pression étalon (ou l’inverse). Il devra prendre ensuite une dizaine de points avant d’effectuer la modélisation algébrique de ses données pour évaluer l’exactitude de ce manomètre construit. Pour pouvoir évaluer en détail sa démarche, nous filmerons les manipulations de chaque participant dans l’environnement d’apprentissage lorsqu’il réalisera le manomètre. Les manipulations attendues de l’apprenant sont décrites dans le modèle d’action suivant présenté dans le tableau IV, qui constitue notre analyse a priori des comportements de l’élève. Dans la section analyse et interprétation des résultats, nous confronterons les manipulations attendues de ce modèle d’action (analyse a priori) avec les actions posées par l’apprenant dans l’environnement d’apprentissage (analyse a posteriori). Les apprenants auront un maximum de 90 minutes pour réaliser leur manomètre.

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Modèle d’action pour la réalisation du manomètre

• Le participant crée un fichier à son nom sur le bureau. • Il branche l’interface.

• Il met en route le logiciel MicrolabExAO. • Il effectue le montage expérimental adéquat :

o Il raccorde le long tuyau sur le transducteur.

o Il raccorde le petit tuyau sur le raccord en forme de T.

o Il raccorde le raccord en forme de T au transducteur et au capteur de pression. • Il connecte les fils sur la capsule universelle.

• Il branche la capsule universelle. • Il branche le capteur de pression.

• Il utilise le capteur de pression comme étalon.

• Il clique sur la capsule universelle pour effectuer une transformation.

• Il sélectionne la fonction transformer ce capteur en fonction d’une variable intérieure à

MicrolabExAO, le capteur de pression ExAO 0-1500 hPa.

• Il change les paramètres de l’expérimentation pour qu’il y ait une dizaine de points expérimentaux qui se prennent.

• Il lance une acquisition de données. • Il tire ou pousse sur la seringue.

• Il s’assure que les données qu’il a prises sont réalistes. • Il sélectionne l’outil mathématique modéliseur. • Il sélectionne la droite.

• Il modélise graphiquement et algébriquement ses données de manière adéquate. • Il note son équation à la main.

• Il fait une copie d’écran de son graphique de transformation et le place dans un document

Word.

• Il assigne la fonction au capteur.

• Il sauvegarde son graphique de transformation en le plaçant dans le fichier sur le bureau. • En page d’accueil, il applique la fonction à la capsule universelle.

• Il passe en mode graphique pour valider le capteur. • Il place les capteurs l’un par rapport à l’autre.

• Il utilise l’outil mathématique taux de variation, modéliseur ou modélisation et incertitude pour déterminer le taux du graphique.

• Il juge de la fidélité et de la justesse du capteur qu’il a créé.

• Il fait une copie d’écran de son graphique de validation et le place dans un document Word. • Il sauvegarde son graphique de validation en le plaçant dans le fichier sur le bureau.

• Il quitte le logiciel MicrolabExAO. • Il débranche le matériel adéquatement.

118 Ce modèle d’action correspond aux manipulations attendues d’un élève expert qui aurait, en plus d’avoir intégré la démarche générale de réalisation d’un instrument de mesure, été capable d’adapter cette démarche aux exigences du nouveau problème posé.

Toutefois, ce n’est pas la seule démarche envisageable. Il y a en effet plusieurs façons de construire un manomètre fonctionnel qui dépendent de la créativité et des choix de l’élève. Rappelons que celui-ci n’a aucun protocole et qu’il est libre de ses actions dans sa démarche heuristique de résolution de problème. Les choix de l’apprenant s’effectueront principalement aux niveaux suivants :

• Agencement différent du matériel pour effectuer le montage ;

• Deux fonctions initiales en page d’accueil (transformer ou étalonner) ; • Des paramètres expérimentaux différents pour chaque mise à l’essai ; • Module graphiques ou module vumètre pour effectuer la validation ; • Validation des capteurs l’un par rapport à l’autre ou en fonction du temps ;

• Outils mathématiques modéliseur, modélisation et incertitude ou taux de variation pour la modélisation algébrique.

À ces niveaux, l’apprenant choisira l’option qu’il voudra pour réaliser son manomètre. Rappelons que le choix de l’élève expert est indiqué dans le modèle d’action du tableau IV. Nous présenterons et décrirons les autres choix effectués par les apprenants dans le prochain chapitre analyse et interprétation des résultats.

Pour faciliter l’évaluation de sa démarche et l’aider à structurer son processus de résolution de problème, lors de la réalisation du manomètre, nous avons demandé à l’apprenant de remplir le rapport écrit. À la page suivante, nous présentons ce rapport contenant tous les éléments recherchés, en plus des points attribués lors de notre correction pour chacun de ces éléments. Nous aborderons dans le prochain chapitre les résultats que nous pouvons dégager à partir des données des rapports écrits complétés par les sujets.

119 IMPORTANT : Sur le bureau de l’ordinateur, créez un dossier à votre nom et prénom pour y enregistrer vos résultats graphiques sous le format .xao3. Dans ce dossier, vous devez aussi créer un document WORD dans lequel vous devez seulement coller certains graphiques spécifiquement identifiés dans ce document. Vous êtes responsable de remettre ce dossier au chercheur. Une fois le dossier récupéré, le chercheur vous donnera l’autorisation de quitter le local.

CONSTRUCTION D'UN CAPTEUR DE PRESSION ( /30 POINTS)