LES ACTIVITÉS EXPÉRIMENTALES
DANS LA FORMATION DES TECHNICIENS
BERNARD MERY
Dans cet exposé on se propose de dégager les différents objectifs assignés aux activités pratiques dans l'enseignement, quels qu'en soient le niveau et le but. On cherchera ensuite à préciser ceux qui sont plus particulièrement recherchés dans la formation du futur technicien.
Les activités expérimentales se situent dans la formation scientifique et technique du futur technicien. Nous commencerons donc par analyser, dans leurs grandes lignes, les démarches des sciences et des techniques et y situer la part de l'expérimentation.
1. UN ESSAI DE DEFINITION
Une certaine ambiguïté existe dans les termes employés, qui peut être résumée par les quatre mots : travaux, activités, pratiques, expérimentaux(ales).
Le terme de "travaux pratiques" est volontiers utilisé dans le langage universitaire pour désigner une forme d'activité de l'étudiant bien cadrée sur une "manipulation" bien rodée (parfois un peu figée) où il est guidé par un texte quelque peu directif (temps imparti et encadrement obligent!).
Les "activités expérimentales" seraient plutôt réservées à la découverte, dans un cadre élémentaire, de l'environnement concret qui entoure les notions scientifiques (familiarisation avec des instruments de mesure, des expériences classiques...).
Le terme "activités pratiques" semble plutôt qualifier l'approche de l'univers technique dans la formation du futur professionnel ou du futur technicien.
Enfin les "travaux expérimentaux" sont plutôt considérés comme des activités ayant pour but l'obtention de résultats utiles, soit dans le cadre de la recherche, soit dans celui du développement de certaines techniques. Il n'est pas question de se livrer ici à un exercice approfondi de sémantique afin de chercher le terme le plus approprié pour qualifier l'objet de nos préoccupations, toutefois la multiplicité des significations qui peuvent être attribuées nécessite une clarification. En l'occurrence, nous tenterons un essai de définition pour cerner l'objet de la réflexion qui sera la nôtre aujourd'hui.
Nous conserverons le terme "d'activités expérimentales" qui figure dans l'intitulé de l'exposé, en l'assortissant de la définition suivante.
L'apprenant est dans une situation de relative autonomie pour pratiquer des activités qui mettent en jeu des équipements matériels ou logiciels dont la nature et l'emploi lui ont déjà été exposés, au moins sommairement. Ces activités ne sont pas liées à une méthode pédagogique particulière.
2. LE DOMAINE TECHNIQUE DE LA FORMATION
PROFESSIONNELLE TECHNIQUE DES TECHNICIENS.
On se préoccupera ici des personnels qui remplissent, dans l'entreprise, des tâches se situant au-delà de celles de l'exécutant. (L'exécutant agit selon des consignes précises ou exerce un "métier" au sens professionnel du terme).
Pour fixer les idées nous retiendrons comme premier niveau du technicien l'équivalent du baccalauréat ; viendront ensuite les différentes catégories bien connues jusqu'à l'ingénieur inclus quand il exerce des fonctions techniques.
Notre réflexion se situera par ailleurs prioritairement dans le cadre de la formation initiale, formation qui joue un rôle essentiel pour permettre à l'individu de s'adapter à son emploi futur et qui doit l'aider à suivre avec profit les enseignements de la formation continue. Remarquons cependant que, dans le sens où on l'entend ici, une formation d'adultes qui permet d'acquérir de nouveaux concepts fondamentaux et de "changer de niveau" est à considérer comme une formation initiale. C'est par exemple le cas de la formation d'ingénieurs par le CNAM.
Nous nous appuierons plus particulièrement ici sur le domaine du génie mécanique, notamment à travers les exemples cités, mais le propos doit être transposable aux divers secteurs de la technique.
3. LES FORMES DE LA CONNAISSANCE SCIENTIFIQUE ET
L'APPROCHE EXPERIMENTALE.
3.1 . Deux formes de connaissance scientifique et l'approche expérimentale.
On voudra bien excuser une approche un peu schématique. Il ne s'agit pas d'étudier ici, pour elle-même, la connaissance scientifique ainsi que les différentes thèses philosophiques afférentes. Le seul but est de rappeler les deux types de modèles manipulés au niveau considéré ici, dans le domaine concerné.
Le premier est dit : "modèle de connaissances". Pour représenter un phénomène on dispose d'un modèle (ou schéma) qui s'intègre dans un ensemble cohérent et structuré de théories. Cet ensemble de théories explique le phénomène et le relie à des schémas généraux parfaitement reconnus, à un instant donné, par la communauté scientifique. On peut citer quelques exemples familiers au mécaniciens: le mouvement d'un solide dans un champ de gravitation, la transmission de la chaleur dans un milieu solide homogène, l'écoulement d'un fluide visqueux dans un canal de géométrie simple...
Ces modèles de connaissances sont sous-tendus par un nombre relativement restreint de principes généraux et de formalismes mathématiques (principes de conservation, de continuité... Équations de Lagrange, de Navier-Stokes...).
Ces modèles ne peuvent être sainement abordés qu'avec la connaissance conjointe des principes généraux et des formalismes mathématiques pertinents pour le phénomène considéré.
Rappelons ici que la science peut disposer, à un moment donné, de plusieurs modèles de connaissance pour représenter un phénomène donné. Par exemple, l'équivalent de la quantité d'énergie contenue dans un milieu continu constitue un modèle macroscopique de la chaleur alors que l'agitation moléculaire en constitue un modèle microscopique. Ces deux modèles ne sont pas contradictoires, ils sont complémentaires car adaptés à la modélisation de phénomènes qui se situent à des échelles différentes.
Le second type de modèles dont dispose la science est le "modèle de
comportement". Dans ce cas le phénomène considéré ne peut plus être
décrit par un ensemble structuré de connaissances scientifiques, notamment du fait de l'interaction de nombreux phénomènes, de limites d'intégration des équations générales trop complexes ou mal définies. On peut citer à titre d'exemples la transmission de la chaleur entre un liquide et une paroi rugueuse, la caractéristique débit/pression dans une pompe centrifuge, l'usure d'un outil de coupe.…
On ne sait caractériser le phénomène que de façon "externe" sans le rattacher directement aux modèles de connaissances qu'il implique. Le comportement est alors traduit par des formes mathématiques simples telles que des polynômes. La "connaissance" du phénomène se limite à la détermination expérimentale des constantes de la forme mathématisée. On se trouve devant un problème d'identification.
Le comportement peut revêtir soit un aspect déterministe, soit un aspect stochastique; dans ce dernier cas des modèles de comportements aléatoires permettent une caractérisation de cet aspect particulier du phénomène.
Nous ne discuterons pas ici certaines thèses philosophiques où on considère que les seules connaissances scientifiques sont celles qui se rattachent à un modèle de connaissances. Nous dirons seulement qu'il s'agit alors de sciences exactes alors que dans l'autre cas il s'agit de sciences expérimentales.
3.2. Place de l'expérimentation dans la formation scientifique.
Nous allons nous interroger pour savoir quelle est, dans chaque cas, la place qu'il convient d'accorder à l'expérimentation dans la formation scientifique d'un individu.
3.2.1. Cas de l'existence d'un modèle de connaissances.
Dans ce cas les paramètres relatifs au phénomène considéré sont parfaitement recensés et leurs relations connues. L'objectif ne peut pas être de "redémontrer" ce qui est connu.
Par exemple peut-on redémontrer la relation PV = Cte pour un gaz parfait qui fait l'objet d'un transformation isotherme ?
Certes non ! On démontrerait expérimentalement que c'est inexact !
(d'abord une transformation réellement isotherme nécessite un temps infini, ensuite il est pratiquement impossible d'éliminer les éléments tels que les fuites, les frottements...)
On ne peut rien démontrer expérimentalement puisqu'il s'agit d'un
concept.
Faut-il en conclure que toute approche expérimentale soit inutile pour la formation ?
Une telle attitude serait catastrophique pour une saine formation de l'esprit scientifique.
- Le modèle de connaissances n'a été édifié qu'à partir de l'expérimentation.
- Le modèle de connaissances ne traduit qu'un phénomène "parfait" , correspondant à des hypothèses simplificatrices. Dans le phénomène réel un ensemble de paramètres "perturbateurs" va modifier le résultat. Il importe non seulement d'en prendre connaissance mais de s'entraîner à reconnaître leur présence, à les identifier, voir à les mesurer.
- C'est à partir des modèles de connaissances qu'il est possible de s'initier puis de s'entraîner à la métrologie.
- Plus fondamentalement encore, la science dont nous nous préoccupons ici vise à la connaissance de l'univers physique; la réduire à une approche purement formelle des modèles serait trahir sa nature même, notamment en ignorant la notion d'hypothèse.
3.2.2. Cas où on ne dispose que d'un modèle de comportement.
Dans ce cas l'approche expérimentale paraît aller de soi. Il faut procéder à une identification pour disposer du modèle qui traduit un phénomène donné.
En réalité une telle attitude ne se justifie pas plus que dans le cas précédent. Pour tous les phénomènes scientifiquement connus sous cette forme on dispose d'un ensemble de résultats expérimentaux généralement bien recensés, lissés et reconnus.
L'expérimentation ne s'impose donc qu'au niveau de la recherche ou du développement où il s'agit de fournir des résultats nouveaux.
Dans un objectif de formation, l'approche expérimentale est tout aussi formatrice que dans le cas précédent...mais pas davantage! Les arguments en sa faveur sont de même nature que précédemment, toutefois son utilité est plus évidente dans la perspective d'une utilisation professionnelle; ce point sera développé par la suite.
3.2.3. En conclusion.
Dans la formation scientifique l'expérimentation n'a pas d'objectif pratique dans la plupart des cas (sauf pour le petit nombre qui fera métier de recherche expérimentale). Elle a pour tous, par contre, un rôle indéniable de formation à la démarche scientifique.
Il est parfaitement clair enfin que la pratique d'activités expérimentales ne peut être dissociée de l'enseignement scientifique correspondant, quel qu'en soit le niveau et quelle que soit la pratique pédagogique adoptée.
4. L'APPROCHE DE L'UNIVERS TECHNIQUE 4.1. L'univers technique.
Contrairement à l'univers naturel étudié par la science traditionnelle, celui de la technologie est essentiellement constitué d'artefacts, résultats de la création humaine.
On y distingue.
- Les objets, qui sont en interaction entre eux ou avec des milieux (éléments physiques). Dans tous les cas ces interactions mettent en jeu des phénomènes d'ordre physique, scientifiquement connus au moins dans leur nature.
Ces phénomènes peuvent être voulus ; il s'agit alors de phénomènes que l'on domestique pour produire un effet déterminé. L'interaction d'une aile d'avion avec l'air, destinée à produire une sustentation, en est un exemple. Ils peuvent, au contraire avoir une action non recherchée, jouant un rôle parasite vis à vis de l'effet à produire, telle que la perte de charge dans une canalisation siège d'un écoulement.
- Les systèmes, ensembles souvent complexes d'objets en interaction entre eux et avec des milieux, conçus pour produire des actions bien déterminées sur la matière ou sur d'autres systèmes. Notons que les systèmes comportent généralement, parmi leurs sous-systèmes, des "systèmes d'information" et qu'ils peuvent, dans certains cas se réduire à ces seuls éléments.
4.2. Nature des activités techniques.
Deux grandes sortes d'activités sont caractéristiques de la technique : - l'utilisation ;
- la création (conception, réalisation, mise au point).
4.2.1. L'utilisation.
Un outil est un système (rarement un objet) qui, de par sa mise en œuvre, permet d'intervenir sur une matière d'œuvre afin de produire un résultat déterminé (modification, information...).
Lors de l'utilisation d'un objet ou d'un système, on distingue schématiquement deux approches :
- l'approche en connaissance externe ; - l'approche en connaissance interne. 4.2.1.1. Approche externe d'un outil.
Dans l'approche en connaissance externe dite aussi "boîte noire", l'utilisateur connaît seulement les données d'entrée fournies au système et les résultats que celui-ci produit en retour. La façon dont le système exploite les données d'entrée pour produire les résultats est délibérément ignorée.
Le système est alors utilisé en "connaissance d'effet". La maîtrise de son utilisation suppose une connaissance complète de son comportement. Or cette connaissance doit être structurée par référence à des schémas connus de comportement de systèmes (machines combinatoires, machines séquentielles, mécanismes, asservissements...).
La connaissance du comportement précise le comment mais on n'a pas accès au pourquoi.
4.2.1.2. Approche interne d'un outil.
Lors de l'approche en connaissance interne, dite aussi "en compréhension", l'utilisateur connaît complètement la façon dont le système exploite les données d'entrée pour élaborer les résultats en sortie.
Un tel système est utilisé en "connaissance de cause". La maîtrise de son utilisation en suppose une connaissance intime, de type analytique. On trouve là une analogie avec le modèle de connaissances des sciences exactes. Toutefois le corpus de connaissances ne se réfère plus seulement aux lois de la physique mais aussi, et surtout, aux objets et systèmes techniques existants.
Observons que, dans cette approche, la compréhension du fonctionnement fait systématiquement appel aux modèles de connaissance ou de comportement des sciences puisque les objets et les sous-systèmes, en interaction entre eux ou avec des milieux, exploitent des phénomènes physiques ou des concepts logiques.
Jusqu'ici on s'est préoccupé de bien connaître "l'outil". Ce n'est, bien entendu, qu'un des aspects de sa mise en œuvre. Il faut, par ailleurs, connaître les propriétés de la matière d'œuvre et les techniques à utiliser. 4.2.1.3. Propriétés de la matière d'œuvre.
Elles se traduisent par un ensemble de paramètres caractéristiques d'un phénomène physique; là encore on peut disposer soit d'un modèle de connaissances, soit d'un modèle de comportement.
4.2.1.4.Techniques de mise en œuvre.
On peut définir une technique de mise en œuvre d'un outil (généralement un système) comme un ensemble d'actions rationnellement organisées qui résultent des fonctions disponibles de l'outil, de ses performances, des propriétés de la matière d'œuvre et des exigences attendues sur le résultat. Pour un résultat donné et un ensemble d'outils on dispose en général de plusieurs techniques. On est conduit à sélectionner celle qui optimise un critère déterminant, la qualité requise étant assurée pour le résultat (coût, durée...).
4.2.2. La création.
La seconde activité technique est la création d'objets ou de systèmes. Elle met en jeu plusieurs étapes qui ont chacune leur démarche propre. 4.2.2.1. Définition de l'objet de la création.
Lors de la première étape il s'agit de définir l'objet même de la création. On a longtemps procédé par analogie de moyens alors que l'approche moderne, de nature fonctionnelle, se traduit par un cahier des charges fonctionnel. Il s'agit d'une définition de type "boîte noire", ou externe, puisqu'un véritable c.d.c.f. s'interdit de préciser tout moyen. Par contre, les données d'entrée et de sortie doivent être définies de façon exhaustive qualitativement et quantitativement.
4.2.2.2. Recherche de la structure.
L'étape suivante consiste à rechercher des structures possibles pour l'objet ou le système à créer. C'est une phase où on invente un
agencement. Différentes méthodes de créativité, de description et de
communication y sont mises en œuvre.
4.2.2.3. Mise en place de l'avant-projet.
Le schéma structurel retenu permet, au cours de la troisième étape, la mise en place d'un avant-projet. C'est la première traduction, en terme
de moyens, de l'objet ou du système à concevoir et à construire.
4.2.2.4. Prévision du comportement.
L'avant-projet a obligatoirement été élaboré sur des schémas simples. En effet les interactions entre les éléments du système n'ont pu être prises en compte que de façon approchée, ceux-ci n'étant définis que schématiquement au préalable. Il est donc nécessaire de passer à la phase de prévision de comportement. On va entamer un processus itératif de mise au point qui va faire intervenir :
- soit une démarche déductive lorsque, pour un problème considéré, on dispose d'un modèle physique connu, modèle de connaissances ou modèle de comportement identifié ;
- soit une démarche expérimentale pour quantifier un modèle de comportement nouveau. Cette démarche expérimentale va utiliser deux sortes d'outils.
* L'expérience physique : On crée un dispositif expérimental qui représente des éléments du système en interaction entre eux ou avec les milieux physiques concernés. Le dispositif expérimental n'est pas un prototype, il ne lui emprunte généralement qu'une partie de ses éléments et, de plus, il crée les conditions d'une expérience intégrant tous les capteurs appropriés pour quantifier les phénomènes à observer.
* La simulation : c'est le cas où on dispose de modèles généraux de connaissance mais qu'on ne sait pas intégrer analytiquement dans des limites complexes. On se sert alors d'outils de simulation analogiques ou numériques des équations générales. Citons par exemples les analogies électriques ou optiques, les simulations numériques par différences finies, par éléments finis...Ces simulations sont par exemple utilisées pour déterminer des déformations, des contraintes, des champs thermiques... 4.2.2.5. Mise au point.
Le prototype sera réalisé lorsque les possibilités de progresser dans le processus itératif expérimentation / modification sont épuisées. Au cours de l'expérimentation du prototype tous ses éléments sont mis en jeu simultanément alors que la prévision de comportement ne s'est généralement adressée qu'à des sous-ensembles.
On procède à une nouvelle expérimentation, essentiellement physique cette fois, pour mesurer les performances du système. Il s'agit alors d'essais qui permettent une mise au point définitive du produit et qui précèdent la phase de production. Les essais ne se rattachent plus directement à la notion de modèle, leur objectif est d'obtenir un résultat pratique et non une connaissance nouvelle, fut-elle limitée dans sa portée.
4.3. Place de l'expérimentation dans la pratique des techniques.
Après ce rappel sur la nature de l'activité technique, interrogeons-nous sur la place de l'expérimentation dans la pratique des techniques et, en conséquence, dans la formation.
On envisage d'expérimenter pour différentes raisons.
4.3.1. Expérimenter pour connaître un système.
Posons-nous d'abord le problème de la connaissance d'un système, préalablement à son utilisation.
4.3.1.1. Cas de la connaissance externe.
Il est à mettre en parallèle avec le modèle de comportement utilisé dans les sciences.
Deux cas pratiques peuvent se présenter.
- Le comportement du système est complètement défini par son créateur, tant qualitativement que quantitativement. L'expérimentation visant à connaître ce comportement n'a pas, a priori, d'intérêt pratique si ce n'est celui d'une vérification. Elle sera par contre indispensable pour vérifier l'évolution du système au cours du temps.
- Le comportement n'est que partiellement connu, notamment il n'est quantifié que de façon incomplète. On se trouve en présence d'un problème d'identification. Assez récemment la "démarche qualité" a fait émerger cette préoccupation sous le vocable de capabilité.
La compréhension et la maîtrise de la démarche expérimentale correspondante sont alors décisives pour l'efficacité du technicien. Notons que le cas où le comportement serait complètement ignoré de l'utilisateur, notamment sous son aspect fonctionnel, n'a pas de réalité technique.
4.3.1.2. Cas de la connaissance interne.
Il semble nous faire échapper à la contrainte de l'expérimentation. Or ce serait un leurre de croire que la connaissance analytique permet de connaître, dans la pratique, la totalité du comportement. On pourra normalement, si on domine les différents domaines scientifiques et techniques qui interviennent, établir l'aspect fonctionnel du comportement et, dans une certaine mesure, les performances nominales. Il est douteux qu'on puisse établir le comportement réel. On se trouve ramené au cas précédent. Il faudra avoir recours à l'identification en adoptant, pour ce faire, une approche externe.
4.3.2. Expérimenter pour mettre en œuvre.
4.3.2.1. Connaître la matière d'œuvre.
L'outil étant maintenant considéré comme connu, il faut disposer des
propriétés de la matière d'œuvre. On est ramené aux méthodes de
l'expérimentation scientifique classique avec modèle de comportement, bien que le type de comportement à qualifier ne soit plus du ressort de la science classique (par exemple l'usinabilité d'un métal).
4.3.2.2. Choisir une technique.
Le problème est plus complexe pour le choix des techniques puisque s'y rencontrent les deux aspects organisationnel et comportemental. Alors que ce dernier nous ramène au schéma scientifique habituel, le second ne peut être dominé que par la simulation, ce qui suppose des modèles d'organisation et les outils de simulation correspondants.
4.3.3. Expérimenter lors de la création.
Il nous reste à envisager le cas de la création d'objets ou de systèmes. Reprenons l'analyse des différentes démarches de la création.
4.3.3.1. L'étape du cahier des charges.
L'établissement d'un cahier de charges fonctionnel nous renvoie au problème de la caractérisation externe, vue sous l'angle de spécifications à définir. cette activité ne peut être correctement conduite que si on a une connaissance approfondie de ce qu'est le comportement d'un système, mais on n'expérimente nullement à ce stade.
4.3.3.2. L'étape de la recherche de structure.
La démarche d'analyse fonctionnelle qui caractérise la phase de mise en place de la structure d'un système à créer fait intervenir diverses méthodes (SADT, Meurise...). Outre leur intérêt pour stimuler la créativité et la mise en ordre des idées, elles ont un rôle capital dans l'échange des idées entre les partenaires concernés. Cette étape ne met en jeu aucune expérimentation.
4.3.3.3. L'étape de l'avant-projet.
La phase de mise en place d'un avant projet est aussi une activité pratique, mais elle met essentiellement en jeu des mécanismes intellectuels. On s'y trouve toutefois confronté à l'utilisation d'outils qui sont eux-mêmes des systèmes souvent complexes à maîtriser (C.A.O.). Il peut s'avérer utile d'expérimenter pour aider à comprendre la structure de ces outils particuliers, mais on n'expérimente plus lorsqu'on agit.
4.3.3.4. L'étape de prévision de comportement.
La phase de simulation de comportement conduit à nouveau à une approche scientifique expérimentale, notamment lors de la conception et la mise en œuvre de dispositifs expérimentaux ou de simulateurs analogiques. L'emploi de systèmes de simulation numérique requiert deux sortes de connaissances, celle du phénomène et celle du modèle. Faire utiliser un système de calcul de structures par éléments finis à un étudiant qui n'a jamais approché, de façon concrète, ce qu'est une déformation, une loi de comportement ou un chargement aux limites conduit certainement à une formation scientifique un peu trop abstraite.
4.3.3.5. L'étape de mise au point du prototype.
L'essai d'un prototype requiert à nouveau une excellente maîtrise de la science expérimentale. Il faut être capable de définir le champ de
l'expérimentation, son programme, ses moyens et enfin d'interpréter sainement les résultats. Une telle aptitude suppose des individus ayant bien assimilé l'esprit de l'expérimentation scientifique.
4.4. En conclusion.
Les différentes activités expérimentales rencontrées dans l'activité
technique peuvent se résumer par les points suivants :
• Identification d'un système par rapport à un modèle ;
• Identification du comportement d'une matière d'œuvre par rapport à un modèle ;
• Caractérisation des performances d'une technique ;
• Conception et mise en œuvre de dispositifs expérimentaux pour tester tout ou partie de systèmes lors de l'étude d'un produit ;
• Conception et conduite d'essais de prototypes.
Alors que l'expérimentation scientifique vise à connaître des phénomènes "purs", dépouillés des différents éléments perturbateurs qui introduisent des paramètres non maîtrisés, l'expérimentation dans le domaine technique s'adresse toujours à des objets complexes (outils, techniques, systèmes...).
Toutefois le schéma général reste le même :
* On dispose d'un ensemble bien déterminé dont on a élaboré un modèle de comportement.
* On réalise un dispositif expérimental pour connaître les paramètres d'entrée et pour mesurer les paramètres de sortie.
* On procède à une reconnaissance du modèle puis à son identification. Dans ce qui précède nous avons classé par nature les diverses activités techniques et nous avons mis en évidence les aspects expérimentaux qui s'y rattachent.
Il nous faut maintenant nous interroger sur la formation que doit recevoir le futur technicien pour qu'il soit compétent dans l'activité qui sera la sienne. Il faudra sans doute le former à comprendre et à dominer les diverses formes d'expérimentation dont il aura la responsabilité mais sa formation (pour ce qui concerne son aspect pratique et expérimental) ne requiert pas seulement l'approche décrite ci-dessus ; Il lui faut d'abord
connaître l'univers technique lui-même sous ses aspects concrets aussi
bien qu'abstraits.
L'approche pratique va comporter un autre aspect, consistant à voir,
reconnaître et mettre en œuvre les différents outils, s'essayer à pratiquer les techniques et les méthodes. Cet aspect précède à coup sûr
5. LES OBJECTIFS GENERAUX DES ACTIVITES PRATIQUES ET EXPERIMENTALES DANS LA FORMATION
L'énoncé qui suit ne prétend suivre ni un ordre logique ni un ordre chronologique pour l'enseignement. Il s'agit de résumer et de classer les divers objectifs qu'on peut assigner aux activités pratiques et expérimentales au cours de la formation.
5.1. Concrétiser les modèles de connaissance.
Il s'agit là notamment de la part scientifique de l'enseignement. L'acquisition des concepts est, a priori, un acte purement intellectuel. Or l'objet sur lequel porte ces concepts est essentiellement d'ordre physique et ne fait pas partie de l'entourage normal de l'étudiant. Aussi importe-t-il de le placer dans des situations concrètes où les grandeurs physiques qui entrent dans les modèles peuvent être perçues.
La situation expérimentale tendra à isoler, autant que faire se peut, le phénomène concerné en éliminant au mieux les effets marginaux.
Les modèles à considérer ici peuvent concerner la physique mais aussi le monde technique. (Ex : modèle géométrique ou cinématique d'un robot, modèle d'un asservissement proportionnel...)
L'expérience doit être construite pour retrouver sensiblement le modèle de connaissance, aux perturbations et aux erreurs de mesure près.
Dans ce cas l'expérimentation va aussi permettre de préciser la notion
d'hypothèse. Les modèles de connaissances sont construits à partir
d'hypothèses, or cette notion est souvent éloignée des préoccupations de l'étudiant. Expérimenter permet de rendre sensibles la nature et l'importance des écarts qui existent entre le réel et le modèle, donc le
domaine de validité des hypothèses.
5.2. Élaborer ou valider des modèles de comportement.
Deux démarches sont mises en jeu dans ce cas : - élaboration du modèle de comportement ; - identification du modèle.
Chacune d'elles constitue un objectif mais la première démarche est moins élémentaire que la seconde et peu accessible à un niveau élémentaire.
5.2.1. Élaboration du modèle.
Dans les sciences traditionnelles les modèles ont déjà été élaborés. l'objectif est alors de se familiariser avec eux et de bien comprendre la différence qu'ils présentent avec le modèle de connaissance.
Dans la technique il faudra parfois choisir le modèle de comportement, ce qui ne peut être fait que par un familier de cette notion et du domaine
concerné. C'est notamment le cas où une approche probabiliste est nécessaire.
5.2.2. Identification.
C'est une démarche plus aisée pour l'étudiant. On crée une situation physique où l'observation est focalisée sur les paramètres d'entrée et de sortie relatifs au modèle. On constate que la description du comportement revêt la forme mathématique attendue dans un domaine de variation donné. L'identification ne présente plus alors de difficulté. Dans le cas contraire on remet en cause le modèle prévu.
5.3. Maîtriser la métrologie.
Les deux objectifs cités précédemment n'ont de sens que si la science et les techniques de la mesure sont bien comprises.
Mais tout instrument de mesure met en jeu des phénomènes connus et possède un comportement propre, d'ailleurs probabiliste. Par ailleurs l'instrument perturbe parfois la grandeur qu'il est sensé mesurer.
Dans toute situation expérimentale la mesure intervient. or l'action de
mesurer ne va pas de soi. Il est indispensable de faire prendre
conscience des divers aspects de la métrologie.
Pour atteindre cet objectif les situations expérimentales doivent mettre en évidence :
- Le comportement des instruments (capteurs et chaînes de mesure) et la nécessité de l'identification afin de connaître leurs performances réelles. (Le terme consacré étant "l'étalonnage") ;
- La nature des erreurs et leur origine ;
- Les techniques de mesurage qui en résultent.
5.4. Se familiariser avec un univers technique.
On utilisera ici le terme d'activités pratiques plutôt qu'expérimentales. Il faut "faire connaissance" avec un univers déterminé.
Il s'agit ici d'acquérir une vue globale qu'on ne vise pas à décrire
immédiatement par des modèles. Pour l'étudiant, le phénomène, le
système ou la technique concernés cesseront d'être livresques, il en aura une perception concrète. Toutefois il ne faudra pas confondre cette perception avec la connaissance.
Chronologiquement la perception concrète doit précéder la connaissance; il est capital de faire comprendre à l'intéressé qu'elle ne
peut s'y substituer.
5.5. Approfondir la connaissance d'une technique.
Une technique peut schématiquement être définie comme un programme de mise en œuvre d'un outil pour obtenir un résultat déterminé. Ces
"programmes" apparaissent souvent à l'étudiant comme pré définis; c'est le fameux "savoir-faire", progressivement élaboré dans un milieu donné, avec le potentiel des individus présents, pour un niveau de résultat attendu. (Ex : mise en œuvre d'une machine-outil à commande numérique).
Or il faut savoir remettre les techniques en cause et pour cela les comprendre, en avoir une connaissance interne.
Dans ce cas on ne fera pas pratiquer la technique dans le but de produire mais dans celui de comprendre. Il faut noter à cet égard que les outils industriels habituels sont rarement adaptés à cette démarche. Il est souvent nécessaire de les doter de systèmes d'information spécifiques des points à mettre en évidence.
La compréhension d'une technique est sans doute la plus complexe des activités envisagées ici; elle requiert la connaissance de l'outil, de la matière d'œuvre et de l'organisation.
On peut faire une place particulières aux techniques de créativité et de communication, évoquées ci-dessus, qui favorisent grandement la mise en ordre des idées et la communication. Leur valeur formative se révèle essentiellement lors d'une mise en œuvre pratique. Il y a bien là
expérimentation, mais surtout vis-à-vis des individus et des groupes.
C'est probablement la seule façon de s'approprier l'esprit de ces méthodes.
5.6. Devenir performant dans une technique.
C'est une activité essentiellement pratique à première vue. Le but est d'obtenir un résultat quantifié :
- - en qualité ;
- - dans un temps donné.
Toutefois les mécanismes intellectuels entrent en jeu lorsqu'il y a adaptation à des conditions nouvelles. Il importe de bien préciser quels sont les facteurs à prendre en compte pour évaluer la performance :
- - variabilité du problème à résoudre ; - - degré d'initiative attendu de l'intéressé.
On doit également considérer un autre objectif, à coup sûr plus difficile à atteindre, qui consiste à développer l'aptitude à devenir performant
6. LES OBJECTIFS DANS LA FORMATION DES TECHNICIENS 6.1. Les objectifs pour un étudiant (enseignement supérieur).
À ce niveau la démarche scientifique doit être correctement assimilée, même si le champ n'en est pas très étendu dans les cycles courts.
Pour tous, une saine compréhension des modèles est indispensable, ainsi que la maîtrise de la métrologie.
Approfondir la compréhension de techniques sera indispensable aux futurs techniciens et aux futurs ingénieurs. En revanche la performance dans une technique ne doit pas être recherchée pour elle-même. Il est sans doute utile de passer par ce biais pour tenter de développer l'aptitude à y devenir performant; ceci concerne notamment les futurs techniciens supérieurs.
Il ressort à l'évidence que la familiarisation avec certains aspects du monde technique est une condition nécessaire qu'il ne faut pas oublier si
la formation élémentaire n'y a pas pourvu.
6.2. Formation élémentaire : objectifs communs.
La formation élémentaire poursuit généralement un des objectifs suivants ou les deux :
- préparer l'accès à l'enseignement supérieur court ou long ;
- préparer à une activité professionnelle; c'est la formation du technicien de premier niveau.
Une bonne formation élémentaire doit préparer à la compréhension quel que soit l'objectif visé. Une familiarisation avec le monde scientifique et technique paraît indispensable puisqu'elle constitue la base sur laquelle peut s'asseoir la modélisation. Pour comprendre quelque notion que ce soit l'élève devra déjà disposer de modèles élémentaires. L'expérimentation doit l'y aider.
Suivant l'objectif poursuivi l'accent sera mis sur des points différents.
6.3. Formation élémentaire en vue de la poursuite d'études.
Les objectifs 1 à 4 sont capitaux (modèles de connaissance, modèles de comportement, métrologie, familiarisation avec le monde scientifique et technique).
Il n'est pas utile de chercher à devenir performant dans une technique (on n'a d'ailleurs pas le temps) et on ne dispose probablement pas encore des notions nécessaires pour approfondir la compréhension des techniques.
6.4. Formation élémentaire en vue d'une activité professionnelle.
Ce sont les points 4 et 6 qui sont prépondérants pour l'efficacité du futur technicien et son insertion rapide :
- être familier de l'univers technique. - être performant dans une technique.
Or il est certain que, de par leur diversité de plus en plus grande, les outils et les techniques exigent une adaptation lors de l'insertion professionnelle. L'exigence d'adaptabilité est primordiale. Pour ce faire il faut s'attacher à l'ouverture d'esprit, notamment par la pratique d'activités "gratuites".
6.4.1. Formation scientifique.
Une formation scientifique, même fortement limitée dans ses champs d'application, est indispensable, assortie bien entendu de l'expérimentation correspondante. On ne peut raisonnablement envisager la construction de modèles à ce niveau ; il faut familiariser l'élève avec cette notion.
6.4.2. Formation à la métrologie.
Une familiarisation à la métrologie, indispensable aussi à ce niveau, doit également être limitée dans ses applications et ne pas avoir l'efficacité comme objectif premier. Elle doit par contre être abordée de façon scientifique et rationnelle, bien que le champ d'application soit essentiellement technique.
À un niveau élémentaire le futur technicien doit avoir clairement compris ce qu'implique la mesure :
- identifier clairement la nature de la grandeur qui fait l'objet de la mesure ;
- être conscient de la précision recherchée ;
- choisir l'instrument qui correspond aux deux points précédents et le mettre en œuvre ;
- fournir un résultat assorti de l'incertitude de mesure.
L'expérimentation doit être conçue en rapport avec cet objectif de compréhension. En particulier les techniciens (et parfois les enseignants!...) confondent mesure et contrôle.
6.4.3. Compréhension de certaines techniques.
On pourra, dès le niveau élémentaire, envisager l'approfondissement de certaines techniques, ce qui passe en particulier par la compréhension de l'outil et par le caractère "relatif" des choix faits dans le "programme" de mise en œuvre.
Là encore il faudra se montrer modeste dans ses ambitions et ne pas viser simultanément l'efficacité.
6.4.4. En résumé.
La formation du technicien de niveau élémentaire ne devra, en aucun cas, viser un but strictement utilitaire. Les différentes formes
d'expérimentation devront y être proposées, en liaison directe avec les notions scientifiques et techniques qui les justifient. C'est seulement à cette condition que l'individu pourra s'adapter facilement à son premier emploi et conserver une bonne adaptabilité en restant ouvert à la formation continue.
7. CONCLUSION
Nous avons d'abord tenté de définir les différentes facettes de l'expérimentation dans les activités elles-mêmes, qu'elles soient scientifiques ou techniques. Nous avons pu constater que, malgré une plus grande diversité des champs dans le domaine de la technique, les schémas fondamentaux étaient les mêmes (modèle de connaissance et modèle de comportement).
Nous nous sommes ensuite interrogés sur l'intérêt de pratiquer l'expérimentation dans la phase de formation d'un individu. Nous avons découvert qu'elle n'y poursuit que rarement un objectif pratique et utilitaire mais bien un but intellectuel : aider à former et à assimiler les concepts qui sont à la base de tout enseignement scientifique ou technique.
L'étude d'un univers donné, scientifique ou technique, en est une approche structurée. Elle ne peut pas se faire sans que l'individu en ait eu, au préalable, une perception concrète à travers l'observation et la manipulation; mais observation et manipulation ne sont pas expérimentation... bien qu'il s'agisse dans tous les cas d'activités pratiques. Cette dernière remarque, qui nous ramène à notre interrogation première sur la terminologie, nous permettra peut-être de mettre un peu d'ordre dans notre vocabulaire, elle devrait surtout nous rendre plus conscients de la portée des activités que nous faisons pratiquer aux futurs techniciens aux différents stades de leur formation.
