DU PHENOMENE REEL A LA MODELISATION
Groupe EVARISTE.
Christian RELLIER
Bureau des Innovations pédagogiques et des
Technologies Nouvelles
Direction des Lycées et Collèges Paris
Frédéric SOURDILLAT
Laboratoire d'Informatique
Centre National des Arts et Métiers Paris
MOTS-CLEF: modélisation. démarche expérimentale. enseignement. informatique. mesure
RESUME: le groupe EVARISTE a réalisé en 3 ans un certain nombre de travaux logiciels. matériels et pédagogiques dans le domaine des disciplines expérimentales (Biologie, Physique-Chimie et Technologie).
Le micro-ordinateur. associé à un interface de mesure et de commande, s' i nterca le entre l' él ève et le système physique, Il propose aux enseignants des situations pédagogiques que chacun peut exploiter à son gré.
Ces travaux font l'objet d'une expérimentation auprès de classes. Nous tentons ici de situer l'activité d'enseignement proposée vis à vis de l'activité expérimentale du physicien, du technicien ou de l'ingénieur et résumons deux des "manipulations" présentées lors de ces 9èmes Journées.
SUHMING UP: the EVARISTE groupe has realised within 3 years a certain amount of software, hardware and teaching equipments in the field of experimental disciplines. (e.g. Biology-Chemistry-Physics and Technology)
The measurement interface and the computer are inserted between the pupil and the physical system.
The computer give the choice to the teachers of situations that can be modulated as they wish.
AIl this softs and hards are being tested in schools.
We try here to show the pur pose of teaching in relation to the experimental work of scientists, engineers and technicians.
We also summurize two manipulations that were presented during this 9th congress.
L'activité du physicien, de l'ingénieur, du technicien est caractérisée par des aller-retours permanents entre le champ théorique et le champ empirique que les concepts tentent de représenter. Que ce soi t de façon plutOt ascendante ou descendante, la démarche de formalisation ou de vérification Pait appel à des séquences d'activité expérimentale guidée par l'objectif de fond: expliquer un phénomène, vérifier l'adéquation entre cahier des charges et performances réelles d'un objet technic,ue, val ider une hypothèse, . . . .
Cette activité se retrouve dans l'enseignement et l'élève doit &ussi être placé en situation d'exploration i son propre niveau.
Le micro-ordinateur, munis d'un dispositif de mesure et de contrOle. devient auxiliaire d'observation, outil de calcul, gestionnaire de dialogues, ... Il apporte:
-une réduction de l'activité "instrumentale" (saisie des mesures, mémorisation des résultats), laissant à l'utilisateur plus de temps pour se consacrer au phénomène et se l'approprier;
-des représentations animées en temps réel, établissant, de meilleure manière, les liens de cause à effet.
Pour le scientifique, cette innovation technologique accélère les recherches. études, développements. ouvrant des horizons
jusqu'alors inaccessibles.
Dans l'enseignement des disciplines scientifiques, la distorsion dans l'espace et dans le temps des activités expérimentales peut donc être réduite par l'utilisation de micro-ordinateurs. Il reste à mettre en place ce nouveau partenaire, à construire des méthodologies d'enseignement adéquates et à étudier les effets sur les élèves: les difficultés traditionnelles seront-elles mieux surmontées; la découverte et l'appropriation des lois sera-t'elle plus facile; des problèmes nouveaux vont-ils surgir?
Le groupe EVARISTE (DLC et CNAM) s'est engagé dans une démarche d'exploration de cette activité d'apprentissage assistée par l'ordlnateur. Il a fallu d'abord se construire les outils nécessaires à la mise en place d'un premier flot de situations (première génération) à partir desquelles nous allons tenter de répondre aux questions posées , décider de nouvelles stratégies".
Pour faire avancer notre réflexion, nous avons tenté de préciser les activités cognitives et manipulatoires de l'élève placé dans cet environnement composé du dispositif d'étude assisté par ordinateur.
des activités "images" des situations industrielles: «ORDINATEUR OUTIL DE LABO»
'" la mesure:
L'ordinateur est utilisé comme instrument de mesure de
grandeurs physiques;l'élève l i t les résultats sur l'écran.
*
la commandeL'élève utilise l'ordinateur pour commander le système.
*
la contrOle (commande automatique) (robotique):O"CINfIilTaUfit
5VSTKH. ~HY.IQU.
Le fonctionnement de l'ense~ble ordinateur-système physique est quasi-autonome: l'élève obs",,'ve le déroulement des opérations qu'il a pu mettre en oeuvre.
exemples: commandes de feux de carrefours, asservissement de vitesse d'un moteur, l'égulation de température, commande d'une grue, ..
pas axes et Ces situations correspondent à l'évolution technologique des procédés de mesure, de commande et de contrOle.
Les logiciels associés à ces situations sont conçus dans le but d'optimiser la liaison ordinateur-système physique avec un zeste de présentation graphique des compte-rendus.
Dans ces situations, les activités pédagogiques ne sont absentas mais ne se déroulent pas seulement autour des principaux ordinateur-sytème physique, ordinateur-élève élève-système physique.
2- des activités d'apprentissage:
«ORDINATEUR OUTIL PEDAGOGIQUE AU LABO ET A L'ATELIER» Pour les situations suivantes, le logiciel est conçu de manière à centrer l'activité d'apprentissage sur l'association ordinateur-système physique. Le principe des liaisons ordinateur-expérience est le même que précédemment. Les dispositifs expérimentaux peuvent-être indentiques.
*
l'EAO (au sens le plus strict) et la simulation comportementale:.VSTIIM. ,.H... JQU.
-l'ordinateur permet la représentation graphique, superpose les tracés, change de plans, d'échelle, recalcule
à la demande •...
*
EAO: Il guide l'élève dans une séquence d'auto-apprentissage, adapte le cheminement des questions pour qu'il réussisse ou corrige ses erreurs,*
Simulation comportementale: Il simule une expérience, calcule, trace des modèles graphiques (graphe. séquence. tableau, ... )*
l'EXpérience Assistée par Ordinateur (ExAO) ou l'aCquisition (de données) modélisante:• Y.TIlH.
HYSIQUIl
L'ordinateur mesure, calcule • représente, superpose des résultats
à la demande de l'élève qui agit sur le système physique. Les objectifs peuvent être :
-J~ dégager les paramètres actifs pour décrire par un modèle. le comportement du système (démarche ascendante: rech~~chede la loi
-de valider des hypothèses de comportemellts prédits à partll' de l'observation préalable (démarche hypothètico-déductive).
Exemples: étude du métabolisme respiratoire, de la charge d'un condensateur, des efforts sur les outils de tour, . . .
*
I~ confrontation théorie/expérience:L'ordinateur est le lieu de confrontation:
-d'une part, il enregistre, calcule. trace ù"s mesures à la demande de l'élève;
-d'autre part. il calcule. trace une représentation graphique théorique introduite par l'élève qui veut vérifier des hypothèses qu'il aura émises. (1" modèle est alors très souvent mathématique) Fxemples: étude de la loi du mouvement d'un chariot sur un rail,
moct~lisationde transformateurs monophasés.
N.B.: le sJ~tème physique d'étude peut-être sim!?le ou complexe: un pendule pesant. une plante dégageant ou consommant \1", l'oxyg~ne,
un syt~me automatiqUe de régulation de température, une .::haine de fabrication. " ..
• l.'Apprentissage d", l'Automatisme Assisté par Ordinateur (AAAOI: Dans le domaine des sytèmes automatisés (asservissements,
systèmes séquentiels. commandes numériques), l'informatique joue
,jéjà un grand l'Ole Jans le contrOle
des processus (automates
programmables. microprocesseurs). apporter beaucoup pour l'apprentissage même de ces renforçant la liaison élève-oI·dinateur.
'----r---r--,--~.YS TIiHa
jl'HYSIQUI[
Elle peut domaint:s en
R~ftll'ences;
-Alain DlJREY et Monique SCHWOB, "Les utilisations du Ml.::ro
en Sciences PhYSIques -E,;sai de Classification" paru dans la revue Education &. Informatique N-20 , Mal's/Avril 1984.
Alain DUREY, "Modélisation et simulation pour la formation", dans le Numéro spécial de Sciences et Vie Juin 84- Le sport au quotidien.
-B"rnard WALLISER, "Systèmes et modèles", ed. du Seull,Paris,1977
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ANNEXE
Description résumée de deux manipulations présentées à Chamonix:
*
le programme DIPOLE pour l'étude des circuits électriques encourant continu;
*
le programme LAMPES qui permet l'observation de phénomènes transitoires en 50 Hz.Une aide à l'étude des circuits électriques en courant continu:
Robert LAGOUTTE CHDP-ULE
Frédéric SOURDILLAT EVARISTE-CHAM le programme DIPOLE
Niveaux d'utilisation:
Utilisable aussi bien par le professeur de physique que par celui d'atelier. ce programme permet l'étude des principes de fonctionnement et de la mise en oeuvre des composants dans les classes de Collèges et de Lycées (seconde, première), éventuellement en première année de faculté.
le logiciel:
Il permet de mesurer U,I et E puis de tracer sur l'écran U(I) et la caractéristique du générateur. En option, il est possible d'afficher le raport instantané U/I et la puissance UxI.
Utilisation pédagogigue: Mode d'utilisation:
-collectif: le professseur peut illustrer son cours devant toute la classe en manipulant rapidement. Il peut multiplier les expériences, superposer les résultats:
-individuel: en TD pour vérifier des résultats ou préparer un travail de recherche d'un modèle, en TP pour vérifier ou découvrir une loi, s'approprier ce nouvel outil de mesure.
sujets d'études:
Depuis la simple observation de U en fonction de 1; découvertes des lois d'ohm. association de récepteurs et/ou de générateurs; point de fonctionnement et droite de charge; étude de la stabilisation de tension par diode zéner: mesure de performances de dipoles: ... Le sujet est vaste.
La chaine de mesure:
L'expérimentation:
Commençée en 1985 dans plusieurs établissements avec classes de seconde de lyçée en physique. l'accueil a été favorable auprès des enseignants et des élèves comme support cours et pour la richesse d'expériences autorisées en TD.
Ce dispositif ne supprime pas la manipulation classique!
des très de
Etude des phénomènes transitoires....
. " en alternatif sinu50ldal (50 Hz>
La cbaine de mesures:
Q
Réseau1
nOV-50Hz K..
5YnChr~~
. BORPHY
A[~fO
Lelogiciel'
Il per.et ~e .esurer. puis ~e représenter sur l'écran la tension et l'lntenslté observées. sur un teaps de quelques dizalDes
~e lililsecondes et ~e taire le calcul du rapport instantané uli
dl~l que la pUlssance et son tracé. le lanceaent de la aesure peut être synchronisé ou non avec la ter.eture ou l'ouverture de
l'interrupteur de coaaande. Ulilisaliool
pédllIogiaues'
60des d'utili2«tioq:-collective. Le professeur peut lilustrer son cours devant
tout~ la classe en aanipulant rapideaentIl peut reco. .encer l'expérlence en cbdnqeant les conditio~ expéri.entales.
-individuelle: au laboratoire ou ~ l'atelier pour l'étude de divers phénoaènes.
Les 'suitts d' 4tude.l:
Ce dispositit per.et l'étude qualitative de ~ivers
éle.ents a 2 poles (laapes. résistances.tra~toraateurs.aoteurs. interrupteurs. fuslbles. dis)oncteurs._l aliaentés psr une te~ion sin~oïdale 50 Hz (réseau
EDf)
en réqiae peraanent ou tr~itoire.l i
.,.eus
d 'ptili.!41i011'-Selon le deqr~s ~'erploitationet de fo~liS8tion des résultats. ces phénoaènes peuvent être abordés par des élèves de collèges ou de lycées
Ce dispOSltit est utillsable aussi bien par les
protesseurs de physique que psr les protesseurs d'Electrotechnlque ou de techDoloqie. Il peraet l'étude des principes de
