MANIPULATIONS ASSISTEES PAR ORDINATEUR
J.-L. FIRPO, P. NEEL* et L. BOYER"
Département de Physique, Université de Provence - Marseille >1<Lycée militaire - Aix-en-Provence
>I<*Lycée Thiers - Marseille
En collaboraùon avec le laboratoire IDEAO , Université P. Sabatier - Toulouse et le Ministère de l'Education naùonale (DLC 15)
MOTS-CLES : TRAVAUX PRATIQUES - ACQUISITION DE DONNEES - COMPARAISON TIIEORIE/EXPERIENCE - MODELISATION.
RESUME : L'enseignement pratique des sciences expérimentales est une occasion privilégiée pour introduire dans l'enseignement les techniques modernes de mesures et de contrôle des processus. Le but visé par cette introduction n'est pas tant la formation professionnelle des élèves que la possibilité qui est offerte au pédagogue et au didacticien par l'utilisation de ces nouveaux outils de modifier le contenu et les buts des séances de travaux pratiques. Il s'agit, grâce entre autres au gain de temps et de précision dans l'acquisition des mesures, d'accroître la part réservéeàl'interprétaùon des résultats expérimentaux. En bref aller de la comparaison théorie/expérience vers une véritable modélisation de l'expérience.
SUMMARY : Pratical activities in experimental sciences teaching are the best place for introducing current technics used in process measurement and control. Sa, new tools are given to the teacher for
modifying contents and aims of practical works. In fact, the saving of time and the increasing precision of mesurements allowed by these technics, make possible to give a large place to experimental results interpretation and theorical modeling of experimental situation.
1.INTRODUCTION
Lanécessité d'accorder une plus grande importance aux travaux pratiques dans l'enseignement des Sciences Expérimentales tant au Lycée qu'à l'Université n'est contestée par personne.
Pendant ce temps, le monde de la recherche et de l'industrie vit une révolution basée sur l'électronique et surtout sur l'informatique qui bouleverse la mesure et le contrôle des processus ou des expériences. Nos élèves, grâce à la télévision et aux magazines de vulgarisation, sont au courant des aspects les plus spectaculaires de cette révolution et savent qu'ils en seront les acteurs dans leur vie professionnelle.
Si l'on veut revaloriser l'enseignement expérimental, il faut absolument tenir compte de l'évolution des techniques. Non pas pour éviter de paraître ringard, ni même pour des nécessités de fonnation professionnelle, mais il s'agit d'utiliser ces techniques qui procurent des gains en rapidité, précision et fiabilité sur les mesures expérimentales, pour en tirer des avantages pédagogiques et didactiques [1]. Le but de l'atelier est donc de mener une réflexion sur ce problème, nourrie par l'exemple des expériences assistées par ordinateur qui y sont présentées [2].
2. UN PEU DE TECHNIQUE: LA CHAINE DE MESURE ET DE CONTROLE INFORMATISEE
Il s'agit en fait de rendre possible la transmission des infonnations dans les deux sens entre l'expérience physique et l'ordinateur comme le montre le schéma suivant:
Expéri-enoe Eleot.roniqueAnalOgique 'tique!n-Porma !nt.er .. aoe o r Cl i n a-t. e u r
,
,
CAN,
,
,
E/5,
LOG,
,,
,
CNA,
,
Puiss Amp 1 i conClitionneur ca-pi,eur 1 GranCleur à ' ContrÔler GranCleUr à . mesurer: 1 1,
Acti9nYleur,
,
-L/Expérience de
2.1 De J'expérience vers J'ordinateur
Pour réaliser cette communication qui constitue l'acquisition infonnatique de données, il faut procéder par étapes. Le capteur transforme une variation de la grandeur physique étudiée en une variation de grandeur électrique. Le conditionneur donne en sortie une tension adaptée au convertisseur analogique numérique (CAN). Ce dernier transfonne, à intervalles de temps égaux (période d'échantillonnage), cette tension en nombres entiers codés en binaire directement gérables par l'ordinateur.
Ainsi apparaissent les principales caractéristiques du CAN:
- Le domaine de conversion qui est compris entre la tension la plus basse et la plus haute qui puissent être converties ( -5 V +5V par exemple).
- Le nombre
de
bits utilisés pour coder les entiers qui conditionne la précision de la représentation de la tension par des entiers.- Le temps de conversion est la limite inférieure de la période d'échantillonnage. Toutefois la limite effective sera, en général, supérieure puisqu'il faut tenir compte du temps pris pour transférer les entiers du convertisseur dans la mémoire de l'ordinateur.
n
existe aussi des entrées d'informations qualifiées de logiques parce qu'elles ne peuvent prendre que 2 états possibles et qui après conditionnement peuvent être prises en compte directement par l'intermédiaire des entrées logiques.2.2 De l'ordinateur vers l'expérience
On trouve une chaîne analogueàla précédente. Elle part du convertisseur numérique analogique (CNA) qui permet de transformer des nombres codés en binaire en niveaux de tension. Ces tensions,à travers une électronique de puissance, agissent sur des actionneurs qui permettent de réguler le comportement du système physique.
En fait dans une expérience assistée par ordinateur on utilise surtout l'acquisition de données, pour étudier le comportement de grandeurs physiques caractéristiques du système [3].
3. L'ORDINATEUR EN SALLE DE TRAVAUX PRATIQUES· POURQUOI ?
Quels sont les avantages que l'on peut tirer du point de vue didactique et pédagogique de l'ordinateur comme outil de laboratoire. Il faut remarquer que l'acquisition automatique des données bouleverse l'économie du T-P traditionnel dans lequel l'essentiel du temps est consacré à la prise de mesure. Par conséquent, si l'on se contente de reprendre le contenu des feuilles de T-P traditionnels, les élèves et les étudiants vont vite se trouver inoccupés.
n
faut profiter de ce gain de temps pour innover. C'estàdire aller dans le sens d'un apprentissage par l'élève de la démarche du physicien. Celle-ci consiste en l'élaboration de modèles théoriques cohérents du point de vue mathématique qui acquièrent leur légitimité quand ils sont vérifiés par l'expérience et leur efficacité quand ils permettent de faire des prévisions fiables sur le comportement des systèmes réels [4].Outrele fait qu'il libère du temps, l'ordinateur va nous aider de plusieurs manières dans cette tâche. - Laprise de mesure informatisée va apporter l'abondance et la précision des valeurs expérimentales mises àla disposition de l'élève, et ce quelle que soit son habileté personnelle. Ainsi les écartsàla prévision théorique pourront être discutés sur une base objective, tandis que dans un T-P classique, tout manquement à la norme est immanquablement attribué à la maladresse ou à l'incompétence du manipulateur. Ici, nous n'avons plus cet échappatoire et les questions de fond sur la validité de la méthode expérimentale employée doivent être posées. Une fois ces problèmes résolus, s'ouvre la voie pour une modélisation théorique du phénomène étudié.
- Lapuissance de calcul de l'ordinateur va permettre de traiter numériquement les données expérimentales pour obtenir des grandeurs (Intégrales, dérivées, transformées de Fourier etc...) qui souvent ont une
interprétation théorique plus simple que les données brutes des appareils de mesure. De la même manière, on pourra calculer les valeurs des expressions théoriques en un grand nombre de points et ainsi faire la comparaison théorie-expérience, non pas autour de quelques points particuliers, mais sur un domaine large. Ceci permet, par conséquent de mieux cerner le domaine de validité des simplifications éventuelles. Enfin, on peut dans une certaine mesure s'affranchir de l'obstacle si souvent mentionné quand on traite de modélisation, du manque de connaissances mathématiques des élèves [5]. Par exemple des équations différentielles compliquées peuvent être résolues numériquement par des méthodes assez simples pourêtre
comprises par les élèves. Les résultats de cette intégration numérique sont alors comparés aux données de l'expérience.
- Les capacités graphiques des micro-ordinateurs sont maintenant telles que la comparaison entre le modèle et l'expérience peut être visualisée sans difficulté avec une précision comparableàcelle que procure l'acquisition de données. Des possibilités de loupe et de localisation de points sur l'écran avec des curseurs permettent de faire des traitements graphiques analoguesà ceux qui étaient faits sur papier millimétré.
4. CONCLUSION
li est maintenant possible fmancièrement et techniquement, puisque le prix des matériels ne cessent de baisser tandis que leurs performances et leur fiabilité augmentent, d'installer des ordinateurs dans les salles de Travaux Pratiques. Pour que ces équipements soient utilisés par les professeurs et les élèves, il faut des logiciels qui permettentà des non-informaticiens de gérer l'acquisition de données et la modélisation du phénomène physique. De tels logiciels existent et sont en démonstration dans cette salle. Les concepteurs de ces logiciels pensent qu'ils sont maintenant suffisamment au point pour sortir des laboratoires et être testés en situation de classe par les professeurs et les élèves. On pourra alors juger dans quelle mesure ils répondent aux objectifs idéaux indiqués plus haut et comment faire pour les améliorer.
Onpeut aussi envisager une autre piste de travail. Il s'agirait de faire des modules d'acquisition de données qui donnent des fichiers de mesures expérimentales pouvant être par la suite récupérés pour traitement par des tableurs et des grapheurs professionnels. Ainsi l'enseignant reste totalement maître de sa pédagogie et les élèves s'initientà l'utilisation d'outils qu'ils rencontreront dans la vie professionnelle tout en accroissant leurs connaissances et compétences en physique.
Enfin, nous nous sommes bornésàenvisager une utilisation de l'informatique compatible avec l'organisation traditionnelle de l'enseignement pratique, mais il est toutàfait possible de confier aux élèves la réalisation de minis projets comportant l'étude et la réalisation d'un dispositif expérimental, la modélisation des résultats de l'expérience. Dans un tel cadre, on peut envisager que les élèves réalisent des parties de programme et se servir de l'attrait qu'ils éprouvent pour l'informatique pour qu'ils puissent mobiliser et développer leurs connaissances en Physique dans des situations plus proches de celles qu'ils renconteront dans la vie professionnelle.
5.
BIBLIOGRAPHIEl'INRP ( 1984 - 86 -88) offrent un panorama complet des manipulations assistées par ordinateur réalisées en France.
[2] Dans la saile l'équipe du CNAM présentait l'interface ORPHYSGTS, une manipulation sur le Pendule
et une sur le métabolisme humain. Etaient aussi présentés l'interface CANDI et le logiciel QUADRIPOLE pour l'étude des fonction de transfen.
[3] ASeH (G.) et col.,1983. -Les Capteurs en Instrumentation Industrielle. Dunod, Paris.
La revue ELEKTOR, par exemple, donne des schémas de carte d'acquisition de données.
[4] DUREY(A.),LAURENT(M.)et JOURNEAUX (R.), 1983. - Avec des micro-ordinateurs, faire de la Physique d'abord. InBull.Union Phys., 652,757-780
WINTHER(1.)et DUREY (A.), 1989. - Mise au point d'outils informatiques pour la modélisation des données expérimentales en électricité dans le second cycle des Lycées. Dans cet ouvrage.
[5] HULIN (M.), 1987. - La physique ou l'enseignement impossible. Collection Philosophie -Mathématiques, lREM Paris-Nord,49.
