MOTIVER AUX SCIENCES PAR LES PRINCIPES
DES TECHNOLOGIES : L'EXEMPLE DE L'OPTIQUE
Fabrizia CAMMARATA, Michel WAUTELET Université de Mons-Hainaut, Belgique
MOTSCLÉS: TECHNOLOGIES NOUVELLES OPTIQUE PHYSIQUE MODERNISER -MOTIVER
RÉSUMÉ : Dans notre société occidentale technoscientifique, apprendre aux élèves l'importance des Sciences dans leur vie est important. Pour beaucoup de jeunes, les Sciences apparaissent abstraites où vieillottes car danslaplupart des manuels, les exemples d'applications modernes sont donnés mais uniquement sous forme de notes de lecture. Or, il est possible de montrer quantitativement comment les lois fondamentales de la physique sont utilisées dans le fonctionnement des technologies nouvelles.
SUMMARY : In our technological and scientific society, it's importantto teaeh pupils about the significance of Sciences in their life. In most school manuals, examples of modem applications are given only as information notes. Consequently, most young people think that sciences education is abstract or out of date. We prove that it's possible to show quantitatively how physics laws are used in modem technologies.
A. GIORDAN,
J.-L.
MARTINAND et D. RAICHVARG, Actes JIES XXI, 19991. INTRODUCTION
Dans l'enseignement secondaire actuel, les principes fondamentaux enseignés en Physique datent souvent de plus d'un siècle. Cela a pour conséquence un désintérêt général pour les sciences. Nous montrerons qu'il est possible de moderniser les cours de physique par l'introduction des technologies nouvelles. Nous pensons qu'il s'agit là d'un moyen de motiver les élèves à l'apprentissage de Sciences.
2. RECHERCHE TECHNOLOGIQUE
2.1 Problème
Les technologies occupent une place essentielle dans notre civilisation occidentale. Elles sont présentes partout. Notre vie quotidienne, nos loisirs, notre profession, nos relations sont influencées par les technologies. Or, nous sommes confrontés à un problème. En effet, nous constatons que le degré de culture scientifique et technologique de la majorité de la population est insuffisant pour vivre dans notre société développée. Cela va du quotidien, avec des questions du genre: n À quoi servent les boutons du magnétoscope? Le four à micro-ondes n'est-il pas dangereux? n; à des questions plus globales:nLe nucléaire est-il aussi dangereux qu'on ne le dit? Le réchauffement du climat est-il déjà là ? Les GSM sont-ils cancérigènes n; en passant par des questions d'environnement: n Les incinérateurs sont-ils dangereux? Le maïs transgénique est-il sain?n.Les raisons de ce constat sont nombreuses. Parmi celles-ci, le fait que les technologies et leurs principes ne se retrouvent plus dans l'enseignement est probablement important. En effet, il s'agit d'un paradoxe: nous vivons dans un monde où la technologie est omniprésente mais où l'enseignement des matières scientifiques est détaché des technologies modernes dont nous nous servons régulièrement de plus en plus.
Lorsque l'on examine les manuels scolaires de la première moitié du 20· siècle, on s'aperçoit que les techniques, les outils de la vie quotidienne y sont présents. Décrire ces outils et machines? Comment s'en servir? Comment ça marche? : autant de questions auxquelles les élèves étaient intéressés. Les choses changent dans les années 1960-1970. À cette époque, les technologies du quotidien deviennent plus complexes. Les machines à laver, les fours à micro-ondes, les séchoirs électriques, les magnétoscopes, etc... sont des machines complexes. Répondre à la question: Commentça marche? n'est pas évident pour tout le monde. Cela devient du domaine du spécialiste. Le résultat est que les utilisateurs - et parmi eux les enseignants - ne comprennent plus et ne cherchent plus à comprendre les principes de fonctionnement des technologies. Cela a de nombreux effets pervers, dont on voit les conséquences aujourd'hui.
Un de ces effets concerne l'enseignement des sciences, et en particulier des sciences exactes. Le désintérêt actuel de nombreux jeunes pour les sciences exactes pourrait notamment provenir du fait que pour certains les sciences apparaissentnvieillottesn,ou, que d'autres ne voient pas l'intérêt, dans
leur vie quotidienne, de comprendre les détails de fonctionnement de telles machines. D'autres
encore, considèrent que les sciences sont trop compliquées et ne sont plus que l'affaire des spécialistes.
2.2 But de la recherche
Le but de notre recherche est de montrer l'utilité des notions fondamentales de sciences dans notre monde technologique. Bien entendu, cenaines technologies apparaissent dans les manuels scolaires. Souvent, cependant, elles sont données dans des notes de lecture, sans que des données numériques utiles soient données. Le but du travail présenté ici est d'aller plus loin qu'une simple présentation des technologies, de montrer quantitativement comment les lois fondamentales de la Physique sont utilisées dans le fonctionnement des technologies.
Il s'agit d'abord de moderniser les cours, via l'introduction d'exemples modernes, tirés des technologies. Ainsi, plutôt que de donner aux élèves des exercices numériques du type: .. Quelle est la longueur d'onde d'un rayonnement électromagnétique de fréquence égale à x Hz'1", nous préférons des énoncés du type: "Les radars de la police de la route utilisent un rayonnement électromagnétique de fréquence égale à x Hz. Quelle est la longueur d'onde correspondante'1". Cela a l'avantage de montrer simplement aux élèves l'usage des notions fondamentales de sciences, sans devoir modifier en profondeur la manière d'enseigner. Ce faisant, l'enseignant de sciences" reste dans le coup". De plus, nous voulons mettre en évidence l'utilité de l'outil mathématique pour une bonne compréhension de la physique intervenant dans les technologies.
Pour atteindre notre but, il est évidemment essentiel de foumir des outils aux enseignants. Fournir des renseignements sur des technologies modernes n'est pas chose aisée et nous devons faire face à de nombreuses difficultés. Il faut d'abord rassembler la documentation, décortiquer les technologies, déterminer les notions scientifiques fondamentales, trouver les ordres de grandeur: autant de tâches qui prennent un temps considérable. C'est que si, souvent, les principes sont trouvés dans la littérature ouvene (revues de vulgarisation, livres, sites Internet), il est plus difficile de trouver des données numériques suffisantes, voire de bien déterminer les notions fondamentales utilisées. Souvent, aussi, nous sommes freinés par le secret industrie!. Nous devons donc fournir aux enseignants des notes comprenant les explications complètes du fonctionnement des technologies, des données numériques mais aussi des expériences se rapponant à ces technologies.
Notre travail permet ainsi la mise en parallèle de 3 concepts : TECHNOLOGIES, PHYSIQUE et MATIIÉMATIQUE. Dans ce travail, nous nous plaçons dans le cadre de l'enseignement secondaire supérieur général, c'est-à-dire, l'équivalent en France des trois dernières années de
lycée avant le Bac.Dans l'étude des technologies, nous nous sommes limités au cas de l'optique.
Tout d'abord parce nous avons dû faire un choix, parmi les branches de la physique du programme scolaire et nous avons estimé que l'optique est l'une des branches de la physique la plus diffuse dans les technologies. De plus elle fait appel àde nombreuses notions mathématiques (la géométrie,la trigonométrie, l'algèbre, ..,).
2.3 Technologies abordées
Voici la liste des différentes technologies qui ont été étudiées:
Le rayonnement infrarouge et les détecteurs Le four à micro-ondes
Les Vitrages et verres à couches
L'ordinateur et le cyberespace (le disque optique numérique, les fibres optiques, la réalité vinuelle et la vision stéréoscopique)
Les systèmes de repérage et de mesure (triangulation, télémétrie laser, gyromètre laser, GPS, l'atterrissage des avions, le radar de la gendarmerie)
Les applications médicales (les lasers en chirurgie médicales,la radiologie et le scanner X, l'imagerie ultrasonore
Les applications militaires du laser
Chacun des sujets abordés est rédigé sous forme de fiches contenant une introduction, un bref historique, l'explication des principes de fonctionnement, des exercices numériques et des expériences simples illustrant la technologie.
3. CONCLUSION
Nous nous orientons vers une modernisation des cours de Physique sans pour autant en modifier le contenu, par l'introduction des technologies d'aujourd'hui. Nous suggérons d'introduire une technologie moderne comme point de départ du cours. Ce qui permet d'éveiller la curiosité de l'élève. Le professeur peut ainsi voir la matière de son cours et donner à l'élève des raisons de son apprentissage, pour aboutiràla compréhension du fonctionnement de la technologie et illustrer le cours par des exercices et expériences plus concrètes. TI s'agit làd'un tableau àdouble entrée : le professeur peut illustrerla loi physique qu'il voit au cours, par les diverses technologies qui s'y rapportent, mais il peut aussi partir d'une technologie pour expliquer les différentes lois auxquellesla technologie fait appel.
BIBLIOGRAPHIE
CAMMARATA F., WAlITELEf M., Implications pour les compétences transdisciplinaires en physique, mathématique et technologies de l'enseignement de l'optique dans l'enseignement
secondaire général,D.M.-H., 1999 (non publié).
