DU PHENOMENE REEL A LA MODELISATION
Groupe EVARISTE
Christian RELLIER
Bureau des Innovations pédagogiques et des
Techniques Nouvelles Direction des Lycées et
Collèges
Frédéric SOURDILLAT
Laboratoire d'Informatique Conservatoire National
des Arts et Métiers
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'intercale entre l'élève 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.
SUMMING 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.
AlI this softs and hards are being tested in schools.
We try here ta show the purpose of teachini in relation to the experimental work of scientists. engineers and technicians.
We also summurize two manipulations that were presented durini 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 soit de façon plutOt ascendante ou descendante, la démarche de formalisation ou de vérification fait 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 technique, valider une hypothèse, ....
Cette activité se retrouve dans l'enseignement et l'élève doit aussi être placé en situation d'exploration à 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 efPets 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'ordinateur. 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
r~pondre 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.
1- des activités "images" des situations industrielles: «ORDINATEUR OUTIL DE LABO»
*
la mesure::liYIiTKMIi
~HY.IQUIl
L'ordinateur est utilisé comme instrument de mesure de
grandeurs physiques; l'élève lit les résultats sur l'écran.
*
la commandeL'élève utilise l'ordinateur pour commander le système.
pas axes et
*
la contrOle (commande automatique) (robotigue):Le fonctionnement de l'ensemble ordinateur-système physique est quasi-autonome: l'élève observe le déroulement des opérations qu'il a pu mettre en oeuvre.
exemples: commandes de feux de carrefours, asservissement de vitesse d'un moteur, régulation de température, commande d'une grue, ..•
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 absentes 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 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 comportamentale:.V.T.M.
~HY.1QU&
-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-appr~ntissage.adapte le cheminement des questions pour qu'il ~éussisse ou corrige ses erreurs,
*
Simulation comportementale: Il simule une exper1ence, calcule, trace des modèles graphiques (graphe, séquence, tableau, ... )*
l'EXpérience Assistée par Ordinateur (ExAO) ou l'aCquisition (de données) modélisante:L'ordinateur mesure. calcule, représente, superpose des résultats à la demande de l'élève qui agit sur le système physique. Les objectifs peuvent être :
-de dégager les paramètres actifs pour décrire par un modèle, le cùmportement du système (démarche ascendante: recherche de la loi à partir d'expériences).
-de valider des hypothèses de comportements prédits à partir da l'observation préalable (démarche hypothético-déductive).
Exemples: étude du métabolisme respiratoire, de la charge d'un condensateur. des efforts sur les outils de tour. '"
*
l.a confrontation théorie/expérience:L'ordinateur est le lieu de confrontation:
-d'une part, il ~nregistre,
calcule, trace des mesures à la
demand~ de l'élève;
-d'autre part, il calcule, trace une représentation graphique théorique introduite par l'élève qui veut vérifier d~s hypothèses qu'il aura émises. (le modèle est alors très souvent mathématique) Exemples: étude de la loi du mouvement d'un chariot sur un rail, modélisation de transformateurs monophasés.
N.B.: le système physique d'étude peut-être simple ou complexe: un pendule pesant, une plante dégageant ou consommant de l'oxygène, un sytème automatique de régulation de température, une chaine de fabrication, ....
*
L'Apprentissage de l'Automatisme Assisté par Ordinateur (AAAO):Elle peut domaines en
Dans le domaine des sytèmes automatisés (asservissements,
systèmes séquentiels. commandes numériques), l'informatique joue déjà un grand l'Ole dans le contrOle des processus (automates programmables, microprocesseurs). apporter beaucoup pour l'apprentissage même de ces renforçant la liaison élève-ordinateur.
Références:
-Alain DllREY et Monique Sem/OB, "Les utilisations du Micro
en Sciences Physiques -Essai de Classification" paru dans la revue Education &Informatique N·ZO • Mars/Avril 1984.
-Alain DUREY, "Modélisation et simulation pour la formation", dans le Numéro spécial de Sciences et Vie Juin 84- Le sport au quotidien.
-Bernard WALLISER. "Systèmes et modèles", ed. du SeuiLParis.1911
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ANNEXE
Description résumée de deux manipulations présentées à Chamonix:
*
le programme DIPOLE pour l'étude des circuits électriques en courant 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:
Robel't LAGOUTTE CNDP-ULE
rrédéric SOURDILLAT EVARISTE-CNAM 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 dan~ les classes de Collèges et de Lyçées (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 pédagogique: 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 ctlarge; 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 lycée 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' nI; supprime pas la manipulation classique!
des très de
Etude des phénomènes transitoires....
.... en alternatif sinusoïdal (50 Hz)
LI cbaine de mesures:
9
Réseausynch~o
11
220 V-50 Hz0""' :
n~~J
K
(HU::
,---,
IiUkloaicieJ-Il per&et de aesurer, puis de représenter sur l'écran la tension et l'intensité observées. sur un teaps de quelques dlzalnes
de .illisecondes et de faire le calcul du rapport instantané uli
ainsi que la puissance et son tracé le lance.ent de la .esure peut
être synchronisé ou non avec la ter.eture ou l'ouverture de l'interrupteur de coaaande.
Utilisations oéduoajoues'
60des d'utili3«tioD:
-collective: Le professeur peut illustrer son cours devant
toute la cla~se en aanipulant rapide.ent.Il peut recommencer
l'expérience en changeant les conditions expéri.entales.
-individuelle: au laboratoire ou à l'atelier pour l'étude
de divers phéno.ènes.
Les suiets d'étudES:
Ce dispositif per.et l'étude qualitative de divers
éle.ents à 2 poles (la.pes. résistances.transforaateurs, aoteurs.
interrupteun. fU3ible3. disjoncteurs .... ) ali.entés par une tension
sin~oïdale50 Hz (réseau EDF) en régiae peraanent ou transitoire .
• ireslU d'utili!HJtioD:
Selon le deqrès d'exploitation et de foraalisation des résultats. ces phénoaènes peuvent être abordés par des élèves de collège3 ou de lycées.
Ce dispositif est utillsable aussi bien par les
profe~3eursde physique que par les professeur3 d'Electrotecrulique ou de technologie. Il per.et l'étude des principes de
fonctionneaent. la ai3e en oeuvre des coapo3ants. la visualisation des contraintes appliquées ou reçues par le co.posant. l'évaluation de:! perf oraances ..
