L’
ENSEIGNEMENT DE L’
ELECTRONIQUE DANS LES CLASSES TERMINALES DES(Section électrotechnique)
Bernard Calmettes
1- PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'ÉTUDE.
Cette étude se rapporte1 essentiellement aux curriculums formels définis comme base structurante d'origine institutionnelle, constitués par le descriptif des programmes et des moyens, méthodes et outils permettant la construction des activités de classe.
L'électrotechnique concerne les dispositifs électriques permettant de produire et de transformer l'énergie électrique. Les grands domaines dans lesquels l'électrotechnique intervient sont actuellement la production, le stockage, la mesure, le transport, la distribution, le traitement de l'énergie électrique.
L'électrotechnique est enseignée en France à différents niveaux scolaires dans :
∗ des filières qui conduisent à terme directement à des diplômes à caractères professionnels : Brevet d'Enseignement Professionnel et Baccalauréat professionnel, Brevet de Technicien Supérieur, Diplôme Universitaire de Technologie, ingénieur ;
∗ des voies pour lesquelles la professionnalisation n'est pas la finalité essentielle : licence et maîtrise EEA (électrotechnique, électronique, automatisme) et Génie Électrique, baccalauréat technologique STI (Sciences et Technologie Industrielles).
La recherche décrite ici se situe dans le cadre de l’enseignement de l'électrotechnique au niveau de la classe Terminale. Deux disciplines y
participent : la Physique Appliquée (PA) et les Sciences et Techniques Industrielles (STI).
2- ÉTUDE DES PROGRAMMES. 2.1- Étude systématique.
La caractérisation des enseignements peut être conduite à partir d’une lecture systématique des programmes. Devant la rapidité des évolutions techniques, les disciplines scolaires se sont repliées vers des connaissances de niveaux conceptuels plus que matériels, y recherchant, c'est du moins le sens des écrits, une certaine pérennité (des lois de la physique et de l’électrotechnique en Physique Appliquée, des « fonctions » en STI). Les savoirs à appréhender sont souvent des « principes » et des « notions sur » les fonctionnements et/ou les fonctions des ensembles techniques (tableau 1). Les deux disciplines sont reliées par le fait qu'elles travaillent toutes deux autour et sur les ensembles et les objets constitutifs de l'Électrotechnique (contrainte épistémologique) ; mais…
• - L'enseignement de la PA au niveau des classes de Terminale prend pour objets d'étude des produits industriels simples : les moteurs et leurs alimentations. Cet enseignement prend corps autour d’activités de cours (PA) et de Travaux Pratiques (TP). Sont utilisés des outils provenant des mathématiques et de la physique, les lois des circuits électriques et de l'électromagnétisme essentiellement.
OBJECTIFS GÉNÉRAUX MÉTHODES
PA Étude d'objets de
l'électrotechnique. Association de composants.
Des lois de la physique et des composants, des résultats
expérimentaux vers des représentations des objets
techniques. STI Analyse d'ensembles
tech-niques finis compris en termes d'associations de fonctions et
sources d'actions.
Analyse « descendante » : des en-sembles techniques vers les fonctions. Analyses temporelle et
partiellement structurelle.
Tableau 1 : Comparaison des enseignements de Physique Appliquée et de Sciences et Techniques Industrielles
• - L’enseignement des STI est divisé en trois modules :
∗ Étude des Systèmes Techniques Industriels (ESTI). Les systèmes techniques industriels sont abordés suivant différentes approches (fonctionnelle, matérielle, séquentielle) en rapport avec un cahier
des charges, la mise en œuvre de constituants, la validation de propriétés par mesurage.
∗ Automatisme et Informatique Industrielle (AII). Privilégiant l’aspect « système », l’enseignement proposé permet de décrire les relations entre l’objet technique et son environnement, ses utilisations.
∗ L’étude des systèmes de conversion de l’énergie électrique appelée dans certains documents « électrotechnique » (ELEC). Elle concerne essentiellement la production, la distribution et l’utilisation de l’énergie électrique en mettant l’accent sur les puissances en jeu et la sécurité.
Les Sciences et Techniques Industrielles abordent la connaissance d’ensembles techniques industriels par une analyse « descendante », aboutissant à des fonctions dont les structures matérielles sont parfois approchées. Celles-ci restent compliquées en terme d'associations de composants électriques.
2.2- Étude par un logiciel d’analyse lexicale.
Un logiciel d’analyse de données textuelles : Alceste2 a été utilisé afin de préciser la structure et les références des enseignements. L’hypothèse générale qui sous-tend sa création est que le contenu lexical du discours ou du contenu analysé est caractéristique de « mondes de pensée ». Contextualisée dans le cadre de cette recherche, elle revient à considérer les textes des programmes comme relatifs à un seul thème « l’enseignement de l’électrotechnique » abordé par différents « locuteurs », les disciplines scolaires.
2.2.1- Les Analyses Factorielles de Correspondances (AFC).
Dans les analyses factorielles des correspondances présentées en Annexe, dérivées de celles obtenues par le logiciel, peuvent être repérés les numéros des classes (de 01 à 05), les verbes d’action (en italique et souligné), les formes les plus caractéristiques (en gras), les autres formes importantes et les variables seulement illustratives3 : PA_1 pour PA en
1ère, PA_0 pour PA en Terminale, PA_9 pour les définitions des finalités, TP_1 pour les Travaux Pratiques de PA en 1ère et TP_0 pour les Travaux Pratiques de PA en Terminale (voir les résultats des AFC en annexe).
2 Logiciel conçu par Reinert, M. (CNRS UA-259, Université de Toulouse Le Mirail). Nous avons utilisé la version 2.0 (septembre 1992).
2.2.2- Analyse des AFC (par le chercheur).
L'axe horizontal (36,19 % de l'inertie) de l’AFC peut être décrit comme présentant un « monde » allant de la « physique » (côté ouest «aimant, science, relevé») aux « applications industrielles » (côté est -«fonction, structure, automatisme, industrie»), monde dans lequel on se déplace (lecture des variables illustratives) de la PA_1 (notions et concepts de la physique c’est à dire tension, courant, lois, circuit) à TP (composants, méthodes, résultats) et à PA_0 (analyse, étude, modèles), puis à ELEC (applications liées à l’énergie) et enfin à AII/ESTI (systèmes automatisés, industrie).
Le deuxième facteur (23,53 % de l’inertie) met en opposition des notions générales de la physique (liées à l’électrostatique, au magnétisme, à l’électromagnétisme, à l’électricité) et des composants simples ou leurs associations («condensateur, bobine, circuit, alimentation») - au sud - à des formes indiquant des méthodes («analyse, montages, relevés») en relation avec l’expérimental («appareils, mesures, valeurs») - au nord -.
En liaison avec cet axe sud-nord, on peut également repérer une suite de verbes décrivant les activités : « connaître, déterminer, savoir, faire, réaliser» correspondant à une ligne « de la connaissance » / « de l’action expérimentale ». Ce facteur différencie essentiellement les formes relatives à la discipline Physique Appliquée.
Le troisième facteur (20,95 % de l’inertie) présente, au sud, des applications sociales de l'électrotechnique dans le domaine de l’énergie : « protection, production, distribution, consommation» et, au nord, des « formes » exprimant le côté plutôt théorique de l’étude des ensembles techniques : « grafcet, partie opérative, fonctionnel, réalisation, définir». Ce facteur différencie essentiellement les formes relatives à la discipline « Sciences et Techniques Industrielles ».
2.2.3- Quelques réflexions sur l’utilisation du logiciel et sur les résultats obtenus.
L’étude réalisée grâce au logiciel d’analyse lexicale semble apporter une certaine clarification sur la structure des contenus des programmes. Les plans factoriels sont particulièrement séduisants facilitant l’analyse par leurs caractéristiques graphiques. Avec prudence, il convient cependant de remarquer qu’une étude curriculaire qui serait menée simplement avec cet outil ne pourrait être qu’une investigation ayant pour objectif de décrire ou de mettre en évidence des faits. Une interprétation plus profonde nécessite l’analyse de corpus complémentaires ou d’autres données.
Remarques : limites méthodologiques.
i. Le logiciel s’attache à la syntaxe des « mots », même si l'environnement lexical dans lequel ils se trouvent intervient de façon non négligeable. Or, certains termes sont polysémiques, à travers leurs utilisations dans les langages des différentes disciplines. ii. Les mots Modèle (et modélisation4), fonction, définir,
expéri-mentation (voire expérience) ou même électrotechnique n’ont pas a priori la même signification en PA et en STI.
iii. Dans les fichiers obtenus avec le logiciel, le poids statistique des « formes » est fondamental. C’est ainsi que disparaissent quasiment de l’étude statistique des « mots » qui ont pourtant leur importance. La révolution de l’électronique de puissance et les alimentations des machines : hacheurs et onduleurs sont pratiquement absents des AFC. Les noms des variateurs sont rarement écrits dans les textes : un titre de chapitre, une ou deux applications… et le reste de la présentation sur l’objet se rapporte à des « mesures », des « graphiques », des « caractéristiques », des « modèles », des « formules ».
iv. Les textes des programmes sont écrits par des institutionnels vers des enseignants, et vers d’autres institutionnels (il semble que dans ce domaine, il convient parfois de marquer son territoire ou de montrer ce que l’on sait ou fait faire !) afin d’éviter des recoupements (même sujet traité par deux disciplines) ou au contraire d’en favoriser d’autres (relations entre programmes de mathématiques et de physique appliquée, de mécanique et d’étude des systèmes par exemple).
Certains textes marquent particulièrement les notions à transmettre et les méthodologies d’enseignement préconisées. C’est pourquoi, on retrouve par exemple les mots « système » et « fonction » assénés de nombreuses fois dans les programmes de STI de 1992 ; il s’agit, pour les émetteurs (ceux qui font les programmes), d’affirmer une nouvelle orientation en même temps qu’informer, ou même instruire parfois, les récepteurs (les enseignants).
2.3- Enseignements technologiques en Terminale et professionnalité.
R. Guillon, dans un ouvrage de synthèse publié par le Céreq5 insiste sur l'importance sociale des voies de professionnalisation, relevant l'intérêt, pour la formation de techniciens, des STS et des IUT.
4 On pourra se repporter ici aux travaux de J. Lambert (1994).
5 Tanguy, L. et al. (1986). L'introuvable relation formation/emploi. Paris: La Documentation française.
Les formations longues en lycées techniques deviennent alors «une étape dans la professionnalisation de l'enseignement supérieur.»
L’enseignement de l’électrotechnique en classe de terminale n’est effectivement plus à visée professionnelle directe. La cible a été éloignée dans le temps. Les objets d’apprentissage sont choisis pour constituer une première lecture des éléments de pratique sociale. Les savoirs liés à l'électrotechnique doivent être perçus, dans la perspective de cet ensei-gnement technologique, dans une continuité entre l’enseiensei-gnement secondaire et l’enseignement supérieur.
Quelques éléments de pratiques sociales sont approchés. Les élèves de la classe Terminale construisent des connaissances technologiques, des éléments de modèles, quelques compétences, des méthodes de travail, notamment expérimentales (démarche, mesurage), en relation avec des objets techniques construits pour l’enseignement. Il semble que, pour les institutionnels, ces connaissances pourraient être réinvesties ou/et ap-profondies en STS dans une problématique du technicien confrontant un objet réel à la connaissance de cet objet pertinente pour lui, construite autour d’un projet (cahier des charges) ou décrit dans des documents techniques industriels (maintenance, programmation, etc.) (Figure 1).
Fig. 1 : L’enseignement de l’électrotechnique en continuité…
3- SUPPORTS D’ENSEIGNEMENT : DEUX ÉTUDES DE CAS. 3.1- Le banc d’essais de machines en Physique Appliquée.
Le banc d’essais et de mesures avec dispositif d’acquisition de données pour l’étude des machines tournantes est un ensemble relativement répandu à l’heure actuelle dans l’enseignement de la Physique Appliquée, en électrotechnique, notamment en classe de Terminale des Lycées d’Enseignement Général et Technologique. Le banc est aujourd’hui un matériel recommandé dans les programmes et instructions officielles et par les institutions disciplinaires en général.
La description et l’analyse de ce dispositif sont réalisées grâce à un questionnement mettant en relation des éléments de pratiques sociales de référence et les contenus des programmes :
• Pourquoi ce banc d’essai ?
• Quelles sont les caractéristiques des matériels équivalents dans l’industrie et dans l’enseignement ?
La recherche prend appui ici notamment sur des données empiriques : des entretiens avec deux des concepteurs du banc d’essai didactique, une étude de documentations techniques, une enquête d’investigation auprès d’enseignants, un compte rendu de journées de formation.
3.1.1- Pourquoi un banc d’essais et de mesures ?
D’après les entretiens et l’enquête effectués, il semble que le banc d’essais automatisé répondait à un certain nombre de besoins :
∗ La volonté de changer les méthodes d’enseignement : Comment enseigner de manière plus efficace, en cours, les machines élec-triques.
∗ L’étude expérimentale des machines nécessitait le passage sur la plate-forme d’essais, impliquant des ruptures temporelles entre théorie et pratique. À celles-ci s’ajoutaient des décalages inhérents aux Travaux Pratiques (TP) “tournants”.
∗ L’existence d’un corps de professeurs issus du corps des enseignants de sciences physiques. Ceux-ci désiraient, semble-t-il, retrouver dans l’enseignement de l’électrotechnique les pratiques des sciences physiques.
∗ Diminution des horaires de TP de Mesures Physiques (3 h) par rapport aux essais (4 h).
Pour les concepteurs, il fallait donc faire un outil pour accompagner le cours sur les machines. Les contraintes imposées à l’ensemble étaient d’une façon synthétique les suivantes :
∗ en tant que matériel : petite taille, masse modeste, transportabilité, rapidité, conforme aux normes de sécurité pour la classe.
∗ au niveau du prix : le moins cher possible.
∗ d’un point de vue didactique : support d’expériences de cours, rapides, reproductibles et a priori démonstratives de faits théorisés ou théorisables, la simplicité d’utilisation… et ne faisant pas peur ! Il est indéniable que le développement et l’utilisation du banc relèvent aussi :
∗ de l’expansion de l’outil informatique en général, dans l’enseignement de la physique en particulier (Expérimentation Assistée par Ordinateur),
∗ du déploiement des relations entre l’école, les entreprises et les Régions,
∗ de sa reconnaissance institutionnelle et donc, implicitement accord avec les argumentations données par les concepteurs.
∗ de la généralisation de la pratique de stages de formation continue.
3.1.2- La didactisation du banc.
Une étude comparative de dispositifs mettant en évidence les écarts entre matériel industriel et matériel didactisé est présentée sous forme de tableau (tableau 2).
L’objet industriel de départ est modifié, mis au service de l’enseignement de la physique appliquée en classe de terminale. En caricaturant, on pourrait dire que le banc automatisé est un instrument à tracer par l’expérience une courbe théorique. Cependant, l’extérieur de la machine reste relativement proche de l’objet industriel, comme si les concepteurs voulaient garder, malgré les modifications internes, une certaine référence à un objet industriel classique. L’étude des documentations relatives au banc, comparées aux documentations de type industriel destinées aux utilisateurs habituels de machines électriques, montre également les écarts entre les références industrielles et les outils de l’enseignant. Des parties de documents n’apparaissent plus, d’autres éléments sont ajoutés, en rapport avec la préoccupation de l’enseignant de physique appliquée, en classe de terminale, en rapport avec les contenus du programme.
3.1.3- Remarques : quelques conséquences…
L’éloignement des dispositifs industriels, le coût, les utilisations. ∗ Le comportement de la machine didactisée est éloigné de ceux des
machines industrielles. Le rotor peut être bloqué, les rendements sont médiocres.
∗ La didactisation du banc et sa production en série relativement limitée occasionnent un prix élevé. Les établissements n’ont, généralement, acheté qu’un nombre très restreint d'ensembles (1 à 3) ; de puissances souvent réduites (300 W).
∗ Le banc de faible puissance (300 W) était initialement prévu pour être un appareillage pour le cours ou pour des TP-cours de non spécialistes. Les résultats de la recherche faite montre que le banc est utilisé en cours mais également dans les séances de travaux pra-tiques des spécialistes… et parfois dans le cadre de TP tournants !
MATÉRIEL INDUSTRIEL MATÉRIEL DIDACTISÉ Le plus compact possible.
Le degré d’intégration maximal est recherché.
La recherche de points de mesure implique souvent l’éclatement de certaines structures matérielles entraînant des modifications des présentations matérielles des machines (borniers et plaques par exemple).
L’apparent est ce qui sert à utiliser l’appareil.
L’apparent devient ce qui est censé aider à comprendre un déroulement théorique, sujet en partie de l’apprentissage. Le caché matériel est défini par l’apparent, donc par le théorique amenant des modifications structurelles profondes de la machine.
Grande série. Petite ou moyenne série.
Recherche d’un amortissement financier dans une structure économique prégnante, nécessité de survie de l’entreprise.
Amortissement non chiffrable car intellectuel et exprimé en termes d’apprentissages.
On utilise les moyens les plus
appropriés (minimum de
dénaturation technique : recherche de la “qualité”).
On peut être poussé, par exemple pour des raisons financières, à faire parfois moins bien, pour faire moins cher (capteur de force pour capteur de couple).
Ce qui intéresse l’utilisateur, ce n’est pas « un » matériel mais « le » matériel qui répond à un besoin précis ; c’est sa spécificité.
Le matériel devient le représentant d’une catégorie large : les moteurs asynchrones par exemple. Les particularismes au sein de la famille sont gommés.
- Utilisation de bancs automatisés en Recherche & Développement : tests dynamiques.
- Utilisations de bancs « manuels » en bout de chaîne de fabrication pour rechercher la conformité face à un cahier des charges.
Utilisations des bancs manuels ou automatisés pour connaître et interpréter les caractéristiques des machines en relation avec une théorie plus ou moins élaborée. Travail sur la partie utile de ces caractéristiques (pente, calculs de couple, de vitesse, etc.)
Les tracés de caractéristiques.
∗ Les contraintes matérielles imposées lors de la didactisation peuvent entraîner des déformations des caractéristiques dans certaines conditions (moteur asynchrone et variateur V/f).
∗ Le frein à poudre utilisé offre un couple rémanent non négligeable, la dynamo-balance, à cause de son encombrement matériel, limite le nombre de relevés possible.
Les apports de l’ensemble didactisé.
∗ Pour les enseignants interrogés, « plus vite » est synonyme de « mieux ». La rapidité des branchements, des mesures et des tracés sont souvent mis en avant comme points positifs. Le travail de l’enseignant et des élèves peut alors se recentrer sur la compréhension de la machine, sur l’utilisation des caractéristiques. ∗ Certaines notions et des concepts peuvent être étudiés
qualitativement grâce au banc : caractéristique complète du moteur asynchrone, connaissance des couples et des courants de démarrage, etc.
3.2- L’analyse descendante des ensembles techniques en Sciences et Techniques Industrielles. 3.2.1- SADT. Objectif Ensemble d'éléments en interaction doté d'une structure
Entrées FONCTION Sorties
Figure 2 :Représentation générale SADT.
SADT (Structured Analysis and Design Technic)6 a été développée vers la fin des années 70 au sein de la société de génie logiciel Softech. Cette méthodologie, a pour objectif de résoudre les problèmes liés à la qualité des documents de spécifications et de conceptions lors de l’établissement d’un cahier des charges. La représen-tation SADT (fig. 2) apparaît
comme un ensemble de
rectangles (les « boîtes » ou les « modules ») liés.
Chaque « boîte » du diagramme représente une fonction. Elle possède quatre liens précisant ses relations avec l’environnement, son objectif et ses éléments structuraux.
6 L'appellation renvoie à la fois à une méthode (Structured Analysis) et à une technique de représentation pour la communication (Design Technic).
La méthodologie SADT s’appuie sur les idées suivantes :
• Modéliser pour comprendre comment faire afin d’obtenir un enchaînement d’actions et de données. Il est possible décomposer les activités (actigrammes) ou les données (datagrammes).
• Formaliser de manière graphique.
• Discipliner la démarche d’analyse. La méthode est :
∗ Descendante car elle prend comme point de départ la globalité représentée par une boîte. Elle est décomposée en d’autres boîtes, etc. L’étude «se déroule du haut (général) vers le bas (particulier)». ∗ Hiérarchique et austère car les éléments de contraintes, de
mécanismes, les entrées et les sorties d’une boîte à un niveau donné existent déjà obligatoirement au niveau supérieur : une boîte n’a pas d’autonomie.
∗ modulaire car elle peut être faite par module, par morceau, par niveau, selon les besoins de l’analyse.
• Travailler en équipe : Plusieurs « auteurs » élaborent de façon indépendante et simultanée des documents spécifiques à une activité. Des « lecteurs » ont pour rôle de corriger, et éventuellement de ren-voyer à un auteur son travail. Ils vérifient la cohérence de chaque partie et du tout.
• Consigner par écrit afin de favoriser les échanges, la communication.
•
3.2.2- Dans l’enseignement…
La mise en place de la méthodologie d’analyse descendante dérivée de SADT relève d’un choix argumenté par :
• La volonté, chez les décideurs institutionnels des STI de mettre en place un enseignement permettant de porter un regard nouveau et spécifique sur les objets techniques sans se référencer systématiquement aux lois de la physique et à la PA.
• La méthode adoptée devait être assez formelle pour éviter de vieillir aussi vite que les composants.
• La méthode devait être un outil unique pour l’analyse fonctionnelle et pouvoir donc être utile aux différentes disciplines du génie technique.
• Les élèves de différents niveaux de l’enseignement devaient pouvoir travailler suivant les mêmes méthodologies.
• Le souhait que la méthodologie adoptée puisse avoir un caractère « scientifique » dans le sens suivant : expérimental plutôt que fabrication, théorique, possibilité de réinvestissement, utilisant des modèles et la simulation.
• Le désir de développer chez les élèves des attitudes « systémiques » (références nombreuses dans les entretiens à De Rosnay, Le Moigne, Morin)…
Le formalisme de type SADT a alors semblé convenir. Il a été modifié, didactisé et adopté pour l’enseignement des STI en classe de Lycée, de la seconde à la terminale. L’étude de différents textes et des entretiens ont mis en évidence des problèmes amenant, un peu plus tard, des oppositions parfois assez fortes liées :
• À l’absence de normalisation et de références dans l’industrie, contrairement à ce qui s’était passé dans le cadre d’une autre méthodologie, le Grafcet (mode de description graphique du fonctionnement séquentiel d’un système automatisé) mis en œuvre et institutionnalisé grâce aux efforts concertés de l’Éducation Nationale et d’industriels7.
• Aux difficultés de lecture pour les élèves comme pour les enseignants, parmi lesquelles :
∗ la lecture des limites des fonctions et la nécessité de dissocier fonction et ensemble de composants,
∗ les traits entre les boîtes ne représentent pas forcément des liaisons électriques,
∗ il convient de dissocier les grandeurs pour chaque liaison,
∗ il n’y a pas un seul graphe pour un seul système, les graphes dépendent en effet du point de vue adopté, etc.
• Aux difficultés matérielles et financières : les systèmes techniques n’étaient pas ou mal financés, il y avait peu d’industriels pour commercialiser…
• À des dérives : les élèves construisaient ou complétaient des graphes SADT alors qu’ils devaient seulement les lire. SADT passait donc ainsi d’un rôle d’outil à un rôle d’objet d’enseignement…
• À la « disparition » de la notion d’objet (critique générale de l’approche fonctionnelle).
• À des tensions entre électroniciens tenants de méthodes plus simples, s’appuyant sur une théorie générale des systèmes, s’intéressant surtout à l’aspect informationnel, ne prenant pas en compte systématiquement l’énergie, et électrotechniciens pour qui la gestion de l’énergie est es-sentielle.
Aujourd’hui, l’approche du type SADT a été abandonnée au niveau de la classe de seconde et est essentiellement utilisée en STI, génie électrotechnique dans les classes de première et de terminale. J. Lambert (1994) ajoute que la transposition d’un objet ou d’une méthode industrielle ne peut être réalisée de manière efficace que dans un cadre
7 J. Lambert (1992) propose dans son mémoire de DEA une étude dans laquelle il aborde notamment la mise en place du Grafcet dans l’enseignement.
professionnalisé : « transposer dans le cadre d’activités scolaires des méthodes utilisées en milieu industriel suppose une capacité à recréer un minimum de conditions qui préservent à la simulation quelque ressemblance. Ceci ne peut s’obtenir que dans les classes post-baccalauréat, dans le cadre des projets et thèmes de STS.»
Le passage de l’outil SADT de son milieu initial (l’industrie et plus spécialement au départ la spécification logicielle en informatique) au milieu de l’Éducation, en classe de terminale, et plus spécifiquement en électrotechnique s’accompagne d’aménagements visant à adapter l’outil aux préoccupations de l’électrotechnique (énergétiques avec les moteurs et informatiques avec les automatismes) et aux contraintes de classe. On peut repérer les transformations suivantes :
• Dans sa finalité, l’outil passe d’une utilisation dans un cadre de spécification (recherche d’un produit qui n’existe pas) avec des représentations mouvantes et variées à un cadre de description d’un système existant (représentations figées) avec l’idée que l’on peut remonter au cahier des charges. SADT didactisée devient une représentation devant permettre une appropriation de l'ensemble technique ou d'une partie de cet ensemble, en vue d'actions futures (dépannages, maintenance).
• Dans sa représentation :
* Seuls les actigrammes sont utilisés ;
* Les données d’entrée (la matière d’œuvre) sont distinguées. Elles peuvent être des produits, des énergies ou des informations (MEI) ; * Les sorties correspondent aux mêmes types : des produits avec
valeur ajoutée, des pertes énergétiques, des comptes rendus (MEI) ; * Les données de contrôle deviennent les contraintes de pilotage ou de
commande, des configurations, des réglages, des données d’exploitation, de commande de mise en énergie ou de présence de matière d’œuvre ;
* Le support de l’activité correspond aux mécanismes et aux processeurs utilisés.
3.3. Les processus en jeu.
Il existe des écarts entre des objets issus des pratiques de référence, ici en électrotechnique, et des objets apparemment analogues dans l’enseignement. Ces écarts peuvent être interprétés par examen :
• des finalités générales de la discipline : le monde de référence, l’industrie, est finalisé par la volonté de produire et de vendre des objets. L’enseignement ne vend rien. Il s’agit d’instruire, de former ou d’éduquer des individus et des citoyens. Il ne s’agit pas de fabriquer des produits.
• de la définition des programmes et référentiels qui relève d’un phénomène de création sociale. Ils sont dérivés de représentations professionnelles porteuses en elles-mêmes de formalisation.
• des matériels eux-mêmes. Les matériels industriels choisis comme objets d’étude ont des variétés, des coûts, des dimensions, des puissances qui font qu’ils ne peuvent pas être utilisés directement dans le cadre de l’enseignement de lycée. On ne peut pas mettre une centrale nucléaire ou un TGV dans chaque établissement ! La répétitivité désirée de certaines mesures ou de La répétitivité désirée de certaines mesures ou de certains relevés amène à modifier les struc-tures de machines ; les problèmes liés à la sécurité doivent être réexaminés dans le cadre de l’enseignement.
Il est possible de décomposer la mise en place dans l’institution des moyens d’enseignement en différentes étapes relevant d’une objectivation :
- Recherche dans le monde industriel des objets sur lesquels portera la transformation ;
- Simplification avec, par exemple, la disparition de certaines parties des documentations techniques ;
- Réduction de disparités : on passe de plusieurs caractéristiques à une seule ;
- Réaménagement : place des borniers, structure interne des machines. Il s’agit de sélectionner et de modifier les dispositifs industriels d’origine de façon à rendre l’engin finalement construit pertinent pour l’ensei-gnement, en fonction des finalités des disciplines et des contraintes des situations de classe.
Il y a une véritable reconstruction spécifique. Celle-ci ne peut être comprise que par prise en considération du contexte d’utilisation en classe et des finalités disciplinaires.
4- COEXISTENCE DISCIPLINAIRE ET DIFFICULTÉS
D’ÉLÈVES…
Les extraits d’observation de classe suivants, réalisés lors d’une séquence d’Étude des Systèmes, laissent penser que les élèves considèrent qu’il existe des cloisonnements entre les diverses disciplines qui leur sont proposées :
Dépannage transgerbeur : 14 h 25 min : recherche sur la partie « théorique »…
Les élèves sont mécontents :
- « Cette partie n’a aucun rapport avec la manip’» - «C’est de la physique !»
Motorisation : 14 h 35 min : recherche des relations… Les élèves protestent devant l’enseignant :
- «C’est de la méca !»
Motorisation : 15 h 05 min …
- «Dans la phase 1, la vitesse est constante ?»
Professeur : « Non ! Relie V à W… Regarde la relation qu’on te donne…»
- «C’est des math !»
Motorisation : 17 h 20 min…
- «On fait des math, de la physique, de la méca, mais on ne manipule pas.»
Comment interpréter ces cloisonnements ?
• Il apparaît effectivement justifié de concevoir les ensembles techniques comme une rencontre intégrative de plusieurs points de vue qui s’enrichissent mutuellement mais…
• Des frontières sont tracées sur le système par les élèves qui ont caricaturé les structures disciplinaires et surtout n’ont pas créé les possibles liaisons interdisciplinaires, refusant implicitement de sortir des représentations qu’ils ont acquises : en « physique », on pose des équations en rapport avec des phénomènes électromagnétiques et on trace des courbes, en « mécanique », les équations sont en relation avec le mouvement, les « mathématiques » permettent de résoudre des équations et de faire des calculs et en « étude des systèmes techniques industriels », on fait des mesures, des essais… et, « on ne doit pas faire autre chose » pourrait être leur devise !
• Un autre fait mérite d’être relevé : les élèves qui n’ont pas su traiter la question relative à la détermination d’un courant en « Étude des systèmes » auraient su le faire en PA ; l’enseignant de PA interpellé sur ce sujet a pu le confirmer. La relation à utiliser est tout à fait commune. Son application ne pose a priori pas de difficultés.
Il semble en fait qu’il y ait une certaine variabilité intra-indivi-duelle qui ferait que des choses “identiques” n’apparaissent pas toujours de la même façon, que la représentation que les individus en font change suivant les situations dans lesquelles ils se trouvent placés. Ce serait un effet de contexte ; les contraintes, les ressources, les buts, les lieux agiraient et modifieraient les significations que les individus donnent à ce qu’ils observent et à ce qu’ils font ou doivent faire.
Il est juste alors de poser le problème des relations entre les différentes disciplines. Si la distinction forte existant institutionnellement entre les curriculums prescrits des deux disciplines peut être modulée, au vu de certains éléments de curriculums réalisés (cf. ci-dessus l’utilisation de relations de physique), il reste à concevoir réellement les interactions disciplinaires : les réflexions sur les contenus, mais aussi sur les rapports entre enseignants, sur leurs formations, et les recherches sur les effets de
contexte restent à faire… L’intégration des savoirs, dans une perspective d’aide aux élèves, est l’affaire de tous les acteurs…
5- CONCLUSION.
L'enseignement de l'électrotechnique en classe de Terminale est dispensé par deux disciplines à visée technologique : la Physique Appliquée (PA) et les Sciences et techniques Industrielles (STI).
La PA aborde les objets et les modélise avec comme outils les composants et les concepts de la physique, sachant que l’utilisation de ces derniers n'est pas systématique. La représentation des machines ou des alimentations peut se limiter à des schémas et des caractéristiques idéalisées investis ensuite dans la perspective pragmatique de la détermi-nation de données électriques (tension nominale, courant de démarrage), mécaniques (charge) ou énergétiques (bilan, rendement) utiles pour justifier un bon fonctionnement des engins.
Les STI modélisent les ensembles techniques par des représentations normalisées (type Grafcet) ou spécifiques (dérives de SADT) ayant pour objectif principal la connaissance de l'objet, pour l'action, par la rationalisation des procédures associées : recherche, analyse, vérification, intervention.
La didactisation des matériels et des moyens d’enseignement opère par un processus assimilable à une objectivation. Leur compréhension ne peut être effective que si l’on se réfère aux finalités propres des disciplines, aux points de vue qu’elles développent à un niveau d’enseignement donné, à leurs modalités d’action dans la classe. Les objets et méthodologies choisies pour l’enseignement et qui concourent à leur tour à la finalisation des disciplines, constituent des représentations d’équivalents industriels voulues opératoires pour les apprentissages de savoirs et de compétences spécifiques.
La dichotomie institutionnelle entre les deux disciplines semble pouvoir entraîner des phénomènes regrettables de cloisonnement dans les connaissances que les élèves mettent en œuvre dans les cadres établis. Remarque : Les différentes observations et analyses faites constituent un point sur la question des disciplines en un instant donné, dans une filière précise et à un niveau fixé. Une généralisation sans précautions, vers d'autres sections (électronique par exemple), vers d'autres niveaux (STS ou IUT), ou en d'autres temps (plus tard8…) constitueraient une dérive certaine.
8 Le recrutement actuel des enseignants au niveau des Capes et Capet avec des diplômes de base identiques (licences EEA ou Génie Electrique) pourrait modifier par exemple, dans quelques années, les interactions entre enseignants, in situ , dans les établissements scolaires.
RÉFÉRENCES
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MINISTÈRE DE L’ÉDUCATION NATIONALE. (1992). Objectifs du baccalauréat technologique série « Sciences et technologies industrielles » (STI), Programmes d’enseignement, BOEN Hors
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ANNEXE : ANALYSE LEXICALE ALCESTE Premier plan : facteurs 1 et 2.
Axe horizontal : 1e facteur : V.P. =.4949 (36.19 % de l'inertie) Axe vertical : 2e facteur : V.P. =.3218 (23.53 % de l'inertie)
+---|---|---|---+---|---|---|---+ 16 | TP_9 | 15 | PA_0 | 14 | | 13 | montage+ | 12 | determin+ TP_0 mesur+ | 11 | realiser 04 transistor+ | 10 | relev+ valeur< amplification | 9 | O3 | 8 | TP_1 PA_9 lineaire+ pratique+ | 7 | faire travail+ | 6 | etudie+ logique+ | 5 | | 4 | savoir ESTI_9 analyse+ | 3 | AII_9 grafcet 05 fonction+ | 2 | partie< ESTI | 1 | oeuvre systeme+ AII | 0 +--- déterminer ---+--- automat+ structur+ | 1 | associe+ definir | 2 | information< | 3 | command+ industriel+ | 4 | | 5 | loi< | 6 | science< | 7 | PA_1 signal< | 8 | consomm+ transport+ distribu+ | 9 | connaitre dispos+ protection+ nature | 10 | product+ defaut+ | 11 | 01 ELEC ELEC_9 | 12 | | 13 | vecteur+ circuit+ isol+ | 14 | aimant+ bobin+ condensateur+ energie+ | 15 | magnetique | 16 | electrostatique | 17 | electromagnetique | 18 | 02 champ+ | +---|---|---|---+---|---|---|---+ Savoir-faire expérimentaux Notions de la physique et composants Concepts, lois de la physique Applications à caractère industriel Systèmes Automatisés TP PA_0 ELEC AII ESTI PA_1
Deuxième plan : facteurs 1 et 3.
Axe horizontal : 1e facteur : V.P. =.4949 (36.19 % de l'inertie) Axe vertical : 3e facteur : V.P. =.2865 (20.95 % de l'inertie)
+---|---|---|---+---|---|---|---+ 14 | partie< | 13 | ESTI_9 grafcet | 12 | oeuvre 05 | 11 | AII_9 analyse+ | 10 | electromagnetique ESTI | 9 | electrostatique logique+ AII | 8 | aimant+ 02 bobin+ condensateur+ associe+ information< | 7 | champ+ circuit+ automat+ systeme+ | 6 | vecteur+ loi< magnetique command+ structur+ | 5 | PA_1 science< | 4 | connaitre industriel+ |
3 | fonction+
2 | determiner definir | 1 | linair+ | 0 +--- savoir ---03--PA_9---+- pratique+ ---| 1 | faire PA_0 etudie+ | 2 | travail+ | 3 | determin+ | 4 | TP_1 valeur< | 5 | relev+ mesur+ transistor+ | 6 | 04 montage+ | 7 | realiser TP_0 amplification | 8 | TP_9 | 9 | | 10 | | 11 | | 12 | energie+ | 13 | | 14 | isol+ ELEC ELEC_9 distribu+ | 15 | transport+ nature | 16 | consomm+ protection+ | 17 | produc+ | 18 | dispos+ signal< defaut+ | 19 | 01 | +---|---|---|---+---|---|---|---+
Formalisation en relation avec les approches
Gestion de l'énergie Aspects sociaux Concepts, lois de la physique PA_1 TP ELEC AII ESTI PA_0 Applications à caractère industriel Systèmes Automatisés
