AVEC DES MICROORDINATEURS FAIRE DES SCIENCES PHYSIQUES D'ABORD
Alain DUREY
Laboratoire de Physique Ecole Normale supérieure Grille d'honneur Parc de Saint-Cloud 92211 - SAINT-CLOUD
Les microordinateurs offrent de grandes possibilités de rénovation dans les domaines 00 ils sont utilisés. Curieusement et jusqu'a preuve du con-traire l'enseignement n'a pas encore assimilé dans l'utilisation qu'elle en fait toutes les possibilités offertes par les ordinateurs.
Est-ce un manque de pénétration de l'informatique qui empêchel' u-tilisation élargie de toutes les possibilités des microordinateurs, 00 bien ces autres utilisations entraînent elles des changements pédagogiques pour les-quels la plupart des enseignants ne sont pas préparés?
Les microordinateurs donnent des possibilités nouvelles.
1) Grâce â leurs capacités de calcul, on peut faire dans un temps raisonna-ble des calculs complexes qui étaient longs et ennuyeux â la main. On peut dês lors faire des applications numériques répétées, donc des réseaux ou des familles de courbes par variation de paramètres, cela permet également le traitement par voie numenque de problèmes n'admettar:t pas de solutions littérales (trajectoire d'un projectile avec résistance de l'air) cela permet aussi de traiter ruménque-ment des problèéles dont la solution littérale n'est pas accessible aux étL:diants considérés (mirage, pendule pesant au lycée).
Enfin,cela autorise la résolution d'équations dans lesquelles on veut tenir compte des variations de paramètres en fonction des variables d'in-tégrations (ex: frottement f(z) Rebond d'une balle).
Ces applications peuvent avoir deux retombées pédagogiques impor-tantes. Tout d'abord sur le choix des domaines de la physique â traiter (par exemp 1e 1a mécani que des fluides devi ent abordab 1e), sur 1e choi x des exemp 1es et des systèmes étudiés dans les domaines déjà étudiés (on peut renouveler les exerci ces, 1es prob 1èmes, on peut envi sager l'exp 1i cati on de nou veaux phénomè-nes plus compliqués, plus proches de la vie courante (trajectoires de balles tournantes, mirage, tèléphérique, des études biomécanique des lancers ... , lan-cement de fusées, systèmes planétaires ... ).
La deuxième retombée pédagogique est liée â la mise en oeuvre d'ob-jectifs méthodologiques liés aux Sciences expérimentales. On peut s'affranchir des problèmes de résolution mathématique pour se consacrer par exemple à la mo-délisation du phénomène et ainsi d'approcher concrètement les difficultés de
la mise en relation des aspects théoriqueset des effets expérimentaux.
2) Les capacités de mémorisation permettent de stocker de nombreuses don-nées aussi bien au niveau des résultats de mesures que d'informations en tout genre (mini Handbook adapté â la classe, résul tats des tests ... ).
On pense aux banques de questions, d'exercices, de problèmes, aux banques de données spécialisées sur la physique, la chimie, l 'histoire des sci-ences ... , on pense aussi aux banques de données de nature pédagogique (utili-sation des résultats obtenus par les élèves dans l'utili(utili-sation des didactitiels, notamment pour des évaluations ou des recherches pédagogiques).
3) Les capacités d' i nteracti vité et d' adaptabi lité
Ce champ a été relativement exploré dans tout ce qui concerne l'en-seignement assisté par ordinateur.
Il s'agit de questionnaire mis sous forme de dialogues adaptatifs (dans le meilleur des cas) (systèmes experts). Ces logitiels interactifs peu-vent alors tenir compte d'une personnalisation du dialogue en modifiant le con-tenu, le niveau, la vitesse.
Ces didactitiels peuvent bénéficier dans un premier temps d'une
mo-tivation liée à une forme technologique nouvelle qui tombera vite si on utilise
seulement un écran télé. Ils peuvent avoir pour but de vérifier ou de donner des connaissances mais ils peuvent également avoir des objectifs méthodologiques en utilisant des simulations, et des modélisations interactives.
4) Les possibilités de sorties graphiques.
Il s'agit de possibilités de réalisation de représentations fixes ou animées(visua1isation des rotations de molécules dans l'espace sur écran
graphi-que), on peu t auss i réa liser des dess i ns ou des textes di ffi cil es à fai re à la
main pour réaliser par exemple des documents pédagogiques (reproduction avec mo-dification de plans, de montages, de cartes, de graphiques ... ).
5) Les possibilités de sorties analogiques.
On peut entrer autrement que par un clavier, soit avec un stylo
gra-phique, soit une tablette gragra-phique, soit avec une table à digitaliser. On peut
également faire des acquisitions de données à partir d'une manipulation, on
peu t auss i contrôler aprés ana lyse des données, un i ns trument ou un apparei l ,
enfin on peut coupler l'ordinateur à un audio-visuel (film, diapo, vidéo-disque .. ).
Ces possibilités existent, elles sont actuellement opérationnelles et 1argement uti li sées dans 1es l aboratoi res de recherche, dans l' indus tri e, les
bureaux d'études etc ... N'ont pénétré dans l'enseignement que des utilisations
qui n'ont pas remis en cause les formes traditionnelles de l'enseignement. La plupart des didactitiels reproduisent l'enseignement habituel. Ils ont pour but de contrôler des connaissances, ou de les faire apprendre; peu de didactitiels s'intéressent aux objectifs méthodologiques et lorsque c'est le cas ils offrent
des apprentissages trop partiels, limités et trop liés à une démarche type
con-tenue dans le programme.
La pénétration des micro-ordinateurs dans l'enseignement s'est fai-te dans le sentier battu des pédagogies centrées sur les connaissances. Ils
peu-vent constituer dans ce domaine des aides incontestables à l'apprentissage, par
le biais des possibilités d'interactivité et d'adaptabilité.
Mais avant de chercher à utiliser les ordinateurs on peut se demander
qu'est ce qu'il faut changer dans l'enseignement de la physique. La micro-informa-tique n'est pas une fin en soi, mais un moyen supplémentaire du côté des techno-l ogi es de ]' Educati on.
Une ômèlioY'otion s(::nsible de )'ense-;gne_'Tient oasse pei)" une prise compte effective d'objectifs méthodologiques d'un type trës peu envisagé ,-tuellement, comme l'applicatior:, la généralisation, ] 'analyse, la synthèse, le jugement critique. Ceïa illlpl"ique qu ' i1 faut trouve':'"' et don~-lerà faire des activités susceptibles de développer ce type d'objectifs Ceci n'est possible qu'en restituant aux élèves une pratique réelle de la démarche expérimenta'e. Un bon moyen consiste à donner la possibilité a:JX élèves,aides dU maître, de faire fonctionner leurs connaissances acquises dans le cours sur des situations expél'imentales concrétes, en centrant le trava·il sur la ccmparaison entre théo-rie et expéthéo-rience, De cette maniére, il semble possible de mettre en oeuvre, de modifier et de contrôler des procèdures de résolution de problèmes spécifiques de notre discipline: analyse des facteurs intervenant dans le phénomène étudié, domaine conceptuels susceptibles d'aider à la résolution, modéles utilisables, mise en oeuvre de dispositifs expérimentaux de collecte de données, principe de nlesurage, erreurs, incertitudes, comparaison des résultats expêrimentaux et des modèles interprétatifs, analyse de données, détermination des paramétres spéci-fiques (coefficients de résistance de l'air d'une balle de tennis), comparai-son avec des données industrielles ou issues de recherches, recherches biblio-graphiques ... ) mise au point et comnunication des résultats.
Ceci étant posé, conment utiliser l'ordinateur dans cette pers pec-tive
Notons tout d'abord que ce type d'activité n'est pas nouvelle dans l'enseignement et qu'elle ne nécessite pas forcément l 'uti lisation des ordina-teurs. La comnission Lagarrigue avait préconisé notanment dans le 1er cycle au-tour de la notion de module, des activités qui permettaient ce type d'approche. Pourquoi utiliser les ordinateurs et comment les utiliser dans cette déna l'Che pédagogique
Tout d'abord, il faut considérer l'évolution de notre discipline et notallTllent de la recherche liée à l'utilisation des gros moyens de calculs don-nés par les ordinateurs. Nous renvoyons là aux possibilités oe calcul énoncés au début de l'article. Cette évolution concerne également la mesure et les mo-yens de mes ure, le type et 1es modes d' acqu i s i ti on de données, le contrô l e ré-tro-actif des manipulations. (nwliérisation, échanti llonnage ... ). Les moyens sta-tistiques renouvellent en particulier la notion de mesure significative. L'évo-lution est due aussi aux possibilités accrues de faire fonctionner des modèles plus complexes, et aux possibilités de traduire plus efficacement les résultats (sur tables graphiques par exemple). La physique s'est modifiée au contact de l'informatique, l'enseignement doit le refléter.
Ensuite l'ordinateur offre des possibil ités nouvelles qui donnent en-core plus de force aux propositions pédagogiques qui ont précédées. Il pernEt l'étude de phénoménes plus liés à la vie courante. Il n'est plus nécessaire de faire des collectes de données sur les appareils de laboratoire qui sont porteurs déjà de principes physiques élaborés et qui éloignent le laboratoire de la vie et
des motivations des étudiants.
Il permet de centrer les démarches sur la comparaison théorie-ex-périence en s'affranchissant des parties calculs confiées à l'ordinateur.
Afin de donner corps à ces propositions nous avons étudié quel-ques problémes de Physique dans cet esprit. Les résultats ne sont pas à re-prendre tels que, mais la méthode nous semble intéressante. Ces exemples sont là pour attester de leur faisabilité.Dans un premier temps ils peuvent être repris par des professeurs pour étudier leur impact en situation de classe. Mais l'idée novatrice pédagogiquement, c'est la possibilité de se lancer en commun avec des élèves sur un projet d'étude avec les moyens d'investigation de la Physique. C'est donc la reconstitution d'un modèle adapté au niveau de connaissances des
élèves qui puisse être efficient pour expliquer, analyser, modifier,
compren-dre un phénomène. La question posée est la suivante: est-il possible d'utiliser les connaissances acquises, de les faire fonctionner, de les mettre à l'épreuve d'une recherche aussi humble et limitée soit-elle
Dans cette perspective, le professeur n'est pas là pour donner des
résultats, mais pour participer à une recherche et initier les élèves à des
mé-thodes de recherches scientifiques.
Les exemples traités sont les suivants : - étude des trajectoires de balles tournantes
Etude d'un service d'1. Lendl (à partir d'un film super 8)
Etude d'un coup franc de M. Platini (à partir de 4 photos d'un
maga-zine).
Cette étude comporte la mise en équation, avec l'étude des forces s'exerçant sur une balle; la détermination expérimentale des coefficients aé-rodynamiques intervenant pour 3 types de sport (golf, tennis, foot). Le pro-gramme de résolution numérique du système d'équations différentielles; le tracé en perspective du terrain et de la trajectoire; la simulation de différentes trajectoires types.
- étude du rebond d'une balle tournante
A parti rd' un fi 1m 16 mm 200 images/ seconde qui donne 1e rebond de
service de G. Moretton.
Comparaison avec des tests industriels pour sols sportifs.
L'étude comporte des mesures physiques des 3 coefficients de frotte-ments (roulement, glissement, pivotement) et du coefficient de restitution du choc (étude faite en fonction de l'écrasement de la balle).
La modélisation du choc. Deux points de vues ont été développés.
Etude globale du choc; mise en équation faite à partir des lois de
conservati on.
Etude dynamique du choc à partir de l'étude du mouvement du centre de gravité pendant toute la phase d'écrasement de la balle, de glissement, de rou-lement.
Comparaison des résultats des deux approches avec les données expéri-&87
riler.tales.
Concl us ions sur l a forme du }'ebond sur diffél'entes surfaces. (re-cherche d'une surface synthétique comparable â la terre battue).
_ Etude de la forme du fil d'un téléphérique chargé.
Apartir dp l'étude industrielle faite pour le câble du téléphéri-que de la Cime de Caron â Val Thorens.
Résolution du problème pas parpas. Problème informatique du point à
rejoindre.
Comparaison avec les données expérimentales (enveloppe des positions du câble lorsque la cabine se déplace, déplacement du contrepoids. Tensions du fi 1) .
- Etude d'un pendule pesant grande amplitude.
A partir d'enregistrements de l'angle du pendule en fonction du temps. Mise en équation et résolution par pas de l'équation avec frottement fluide et solide, et dans le cas d'un régime forcé.
Comparaison avec les enregistrements, mise en évidence du régime tran-si toi re, de l' i nfl uence des frottements so l i des et fl ui des.
Simulation de l'influence de chaque paramètre (ex fluide seul). - Etude des fentes d'Young.
Enregistrement avec un photomultiplicateur de l'éclairement issu d'un dispositif de fentes d'Young.
Résolution d'un produit de convolution. Influence de la largeur de la fente d'entrée, largeur spectrale, largeur fente du PM sur la visibilité des fran-ges.
Comparaison avec les enregistrements expérimentaux et simulation de conditions idéales (ex: fentes d'entrée infiniment fine).
