Réalisation des quatre instruments de mesure

Dans notre intervention didactique, nous voulons permettre aux élèves, placés dans un environnement d’apprentissage des systèmes MicrolabExAO, de construire quatre instruments de mesure électroniques pouvant être utilisés en chimie et en physique : un thermomètre, un luxmètre, un détecteur de position et un manomètre.

Comme premier instrument, l’élève réalisera un thermomètre électronique. Sa démarche sera algorithmique étant donné qu’il suivra un protocole de manipulations complet. Le deuxième instrument qu’il réalisera sera le luxmètre, et ce, en combinant à la fois la démarche algorithmique et la démarche heuristique. En effet, son protocole ne contiendra que quelques manipulations clés à suivre (démarche algorithmique), l’apprenant devant exécuter par lui-même les autres étapes selon sa propre direction (démarche heuristique). Il construira ensuite le détecteur de position comme troisième instrument de mesure. Il devra alors rédiger par lui-même les principales étapes de ses manipulations, que nous corrigerons avec lui, avant qu’il ne passe à l’action en suivant son propre protocole. Ainsi, dans les trois premières séances, il sera dans une démarche algorithmique qui deviendra progressivement heuristique. Finalement, l’évaluation du degré d’autonomie de l’élève se fera lors de l’examen pratique de laboratoire dans lequel il réalisera le manomètre avec une démarche essentiellement heuristique puisqu’il n’aura aucun protocole de manipulations ni directive de l’enseignant. De cette manière, nous vérifierons

90 si l’apprenant a intégré la démarche de réalisation d’un instrument de mesure et résolu ainsi un problème complexe en situation adidactique.

Nous pensons que des démarches similaires, de moins en moins dirigées d’une construction à l’autre, faciliteront l’intégration d’une démarche interdisciplinaire de réalisation d’un instrument de mesure électronique par l’élève. Celui-ci devrait devenir de plus en plus habile à combiner les outils mathématiques à la démarche expérimentale et à la démarche technologique de conception jusqu’à l’atteinte d’un degré d’autonomie lui permettant d’utiliser sa propre démarche pour résoudre un problème.

Comme la démarche de réalisation est similaire d’une construction à l’autre, tout comme l’utilisation du logiciel MicrolabExAO, nous pouvons schématiser une démarche générale de réalisation d’un instrument de mesure. C’est cette démarche que l’élève devra intégrer progressivement jusqu’à la mener de façon autonome en réalisant le manomètre. La réalisation de ce manomètre constitue une situation nouvelle pour lui. Bien que la démarche générale de réalisation soit similaire, le fonctionnement du manomètre, son échelle de mesure, les variables en jeu, le montage expérimental à réaliser et les manipulations à effectuer sont différents. C’est par l’adaptation de sa démarche à ce nouveau problème à résoudre que nous verrons si l’élève a intégré celle-ci et s’il est en mesure de la transférer.

La démarche générale de réalisation d’un instrument de mesure électronique dans les systèmes MicrolabExAO est représentée à la figure 17. Dans une approche inductive, l’élève doit expérimenter pour établir une relation de causalité entre la grandeur physique mesurée par l’instrument de mesure étalon et la tension aux bornes du transducteur. Il part d’une interaction de variables physiques, visualisées en ExAO, pour déterminer un modèle qui prend la forme de l’équation algébrique de transfert, dont nous avons traité précédemment (voir p.50-51). Une fois le modèle construit, l’apprenant se doit de valider celui-ci en le mettant à l’essai dans une approche déductive. Pour ce faire, il attribue l’équation algébrique de transfert au transducteur pour transformer le signal électrique (la tension U) en valeur numérique de la grandeur physique mesurée. Si son modèle est adéquat, l’instrument de mesure construit devrait alors prendre des mesures similaires à celles de l’étalon.

91 Construction en

induction

Validation en déduction

Pour donner un exemple de cette démarche, prenons la construction du manomètre. L’élève devrait d’abord déterminer que la grandeur physique mesurée par le transducteur est la pression. Celui-ci, avant sa transformation en instrument de mesure, affiche des valeurs entre 0 et 3,5V lorsqu’on fait varier sa pression en changeant le volume d’une seringue. Pour effectuer cette transformation, l’élève devra comprendre qu’il doit utiliser un capteur de pression étalon et faire varier la pression de celui-ci en même temps que celle du transducteur. Ainsi, il aura à construire un montage expérimental adéquat et élaborer un schème de contrôle des variables lui permettant de prendre plusieurs intensités de la pression. L’expérimentation de transformation, qui met en relation la tension aux bornes

Représentation symbolique Action expérimentale MODÈLE : Équation algébrique de transfert y = f(x) permettant de réaliser un instrument de mesure électronique RÉALITÉ : Interaction de variables Exactitude de l’instrument de mesure Modélisation algébrique Expérimentation de validation Variables dépendante et indépendante Expérimentation de transformation Assignation et application de l’équation algébrique de transfert Montage expérimental Schème de contrôle des

variables Interaction entre les

variables Modélisation

algébrique

Figure 17 : Démarche générale de réalisation d’un instrument de mesure Connexion à la capsule

92 du transducteur et la pression mesurée par le manomètre étalon, lui permettra alors d’obtenir un nuage de points qu’il modélisera algébriquement pour déterminer l’équation algébrique de transfert.

L’apprenant doit valider cette équation algébrique de transfert. Pour ce faire, il enregistre cette équation dans le logiciel et l’applique à la mesure du transducteur. Ainsi, une fois attribuée au transducteur, cette équation permet de transformer tout voltage lu par l’ordinateur en mesure de pression affichée à l’écran. L’élève pourra alors, dans une expérimentation de validation, comparer cette pression à celle mesurée par le manomètre étalon et établir, suite à la modélisation algébrique de ses données, l’exactitude de l’instrument de mesure qu’il a construit.

Cette démarche générale de réalisation implique la mobilisation par l’élève de savoirs et savoir-faire en sciences expérimentales, en mathématiques et en technologie. Nous avons identifié ces savoirs et savoir-faire dans le devis didactique des connaissances.