ARTheque - STEF - ENS Cachan | Apprentissage du GRAFCET : situations didactiques et représentations fonctionnelles

Apprentissage du G

RAFCET

Situations didactiques et représentations fonctionnelles

Jacques Ginestié

1. Quelques notions sur le G

Le GRAFCET est un langage de description fonctionnelle des

systèmes automatisés qui permet de décrire le fonctionnement de systèmes automatisés. Ce langage a une double paternité. D'une part, il s'appuie sur les grands principes de la logique booléenne et, d'autre part, il propose une articulation des opérations séquentiellement. Ce n'est pas pour autant une nouvelle présentation de l'algorithme, de l'organigramme ou des logigrammes de la logique combinatoire. Ce langage rend compte du fonctionnement selon différents points de vue tout en gardant une même unité de représentation graphique. Il permet de décrire le système automatisé depuis l'expression du besoin jusqu'à sa maintenance en passant par la conception, la fabrication et l'installation. C'est un langage de communication à plusieurs niveaux. Il permet la communication entre les hommes, par exemple entre le concepteur et le fabricant mais aussi c'est un langage de programmation que l'on peut implanter directement sur des automates programmables dans un dialogue homme/machine.

1.2. Règles et principes

La description d'un cycle se fait en articulant séquentiellement les actions à effectuer. Le passage d'une action à la suivante se fait lorsqu'une condition de transition est remplie. Les actions sont associées à des étapes dans le déroulement du cycle de fonctionnement alors que les conditions sont des transitions entre

les étapes. La succession des étapes est chronologique et séquentielle ; néanmoins plusieurs actions ou séquences peuvent être exécutées simultanément. Pour rendre compte de cette organisation chronologique, les étapes sont numérotées. L'étape est symbolisée par un carré dans lequel est inscrit son numéro d'exécution. La première étape d'un cycle est représentée par un double carré. L'action a effectuer est inscrite dans le rectangle lié à droite du carré d'étape.

Le cycle commence à la première étape jusqu'à la dernière. Lorsqu'un cycle est effectué, le système est re-bouclé sur la première étape et recommence ainsi un nouveau cycle. Le lien entre les étapes est représenté par un trait vertical. La transition, représentée par un trait horizontal, indique la condition à remplir pour passer d'une étape « n » à l'étape suivante « n + 1». Lorsque la condition de transition est remplie, on parlera de réceptivité de la transition (schéma 1).

Schéma 1 Schéma 2

L'exécution de séquences simultanées d'actions se fait au moyen de la divergence et de la convergence en ET (schéma 2). Dans ce schéma, lorsque l'étape S est active et que la condition de transition a est validée, le système va exécuter simultanément les deux séquences constituées par les étapes 6 et 7, d'une part, et les étapes 6.0 et 6.1, d'autre part. Lorsque la condition de transition cf est validée le système exécute l'étape 8.

La divergence et la convergence en OU permettent d'exécuter une séquence d'étapes parmi plusieurs (schéma 3). Lorsque l'étape S est exécutée, c'est la séquence d'étapes 6 et 7 qui sera exécutée si la condition de transition a est validée ou alors ce sera la séquence

d'étapes 6.0 et 6.1 dans le cas ou la condition de transition a' est validée.

Schéma 3

2. Résolution d'un problème de G

Résoudre un problème de GRAFCET nécessite de coordonner

quatre espaces de problème (E.P.) le temps, l'espace, le logique et le fonctionnel. Pour chacun de ces E.P. des contraintes spécifiques existent. De même, l'interaction entre les E.P. fait apparaître d'autres contraintes. Résoudre un problème de GRAFCET nécessite

de découvrir l'ensemble de ces contraintes, de les transformer en fonctions élémentaires et d'articuler toutes ces fonctions dans une solution répondant à la fonction globale. Le statut accordé à chaque contrainte, l'articulation des fonctions entre elles peuvent conduire à plusieurs bonnes solutions qui répondent chacune à la fonction globale du système d'une manière générale et optimale. Une étude préalable a mis en évidence, chez des élèves de 2e TSA, plusieurs points que nous allons résumer ici (GINESTIÉ, 1987 ;

AMIGUES & GINESTIÉ, 1991).

Les élèves ne découvrent jamais l'ensemble des contraintes d'un problème de GRAFCET même lorsque celles-ci sont explicitées.

La transformation des contraintes découvertes en fonctions privilégie les cas particuliers de la fonctionnalité au détriment de la généralité des solutions.

L'articulation des fonctions dans une solution globale se fait par enchaînement de solutions locales souvent très éloigné de la fonction globale du système.

La représentation mentale du système qu'ils élaborent est très éloignée de la représentation fonctionnelle de celui-ci. Certains aspects de la fonctionnalité ont totalement disparu.

2.2. Obstacles à l'apprentissage du GRAFCET

Les difficultés rencontrées par les élèves sont liées à des obstacles à l'apprentissage du GRAFCET. Pour G. BACHELARD

(1938), l'obstacle est une difficulté à laquelle l'apprenant est confronté et qui est liée à l'épistémologie de la discipline. C'est le franchissement des obstacles qui est générateur d'apprentissages. Ces obstacles sont limités en nombre dans un même champ disciplinaire (MARTINAND, 1986 ; 1989). Ils correspondent à des

progrès décisifs, non acquis spontanément mais qui ont une signification du point de vue de la pensée scientifique ou technologique. Définir les obstacles à l'apprentissage dans un domaine spécifique permet de centrer cet apprentissage sur quelques concepts essentiels. Cette notion d'obstacle permet d'appréhender différemment les connaissances à transmettre.

Notre première étude nous a permis de caractériser les principaux obstacles à l'apprentissage du GRAFCET à partir des

difficultés des élèves. Ces difficultés sont liées à la fonctionnalité du système et très peu au mode de représentation graphique. Les obstacles sont de trois ordres : la gestion simultanée d'actions de nature différente, la généralité de la solution retenue et la notion de rebouclage en fin de cycle. Dès lors, le problème de faire franchir durablement ces obstacles aux élèves se pose. C'est ce que nous allons examiner à présent.

3. Comparaison de dispositifs didactiques

3.1. Description des dispositifs

Afin d'étudier le franchissement des obstacles à l'apprentissage du GRAFCET, nous avons construit quatre dispositifs didactiques :

un par guidage de l'action, un calqué sur la logique experte, un par confrontation aux obstacles et un par tâches à erreurs. Quatre

groupes de douze élèves ont été constitués. Les élèves travaillaient par dyades. Les séquences d'apprentissage pour chaque groupe portaient sur l'étude d'une même famille de systèmes et ce dans les mêmes conditions de temps. À l'issue de l'apprentissage, les élèves passaient un test, identique pour tous les groupes. Ce test était suivi d'un post-test six mois après.

3.1.1. Le système support des dispositifs

La famille de systèmes utilisée consiste en un système de transport de pièces selon deux axes de déplacement (vertical et horizontal) de type pont roulant. Les déplacements se font par quatre opérations : « MONTER » et « DESCENDRE » ; « AVANCER » et

« RECULER ». Le transport de pièces se fait par trois opérations :

« PRENDRE PIECE », « MAINTENIR PIÈCE » et « POSER PIECE ». Les

informations sur l'état du système sont : « bras en haut », « bras en bas », « bras à droite », « bras à gauche », « pièce présente », « pièce prise » et « pièce posée ». Une fonction « départ cycle » est également disponible. La fonction globale à remplir est la suivante : « transporter les pièces une à une depuis le coin inférieur gauche jusqu'au coin supérieur droit ». Nous allons à présent décrire brièvement les quatre dispositifs.

3.1.2. Par guidage de l'action

Le guidage de l'action se situe sur l'axe psycho-pédagogique (WEILL-FASSINA, 1979). Il désigne les méthodes d'apprentissage qui

défavorisent l'apparition des erreurs de résultats ou de stratégies. Il se présente sous forme d'algorithmes ; c'est à dire un ensemble de prescriptions et de règles qui définissent ce qu'il faut faire, et dans quel ordre, pour résoudre une classe de problèmes donnés.

3.1.3. Par logique experte

Un dispositif d'apprentissage par logique experte consiste à prendre cette logique experte comme logique d'apprentissage. En se référant à REIF (1981, 1983), la logique experte repose, d'abord, sur une analyse initiale du problème qui se décompose en trois phases successives :

– l'élaboration d'une « description de base » du problème. Il s'agit, ici, d'une description facilement interprétable par le sujet ; – l'élaboration d'une « description théorique » du problème. Le problème est re-décrit en termes de connaissances théoriques disponibles dans le domaine particulier ;

– l'analyse exploratoire du problème afin de s'assurer de quelques propriétés qualitatives de la solution.

À partir de cette description initiale, l'expert se construit une base d'orientation qui va le guider vers la solution. Ce dispositif, centré sur la stratégie de résolution, se distingue du précédent par un questionnement permanent du sujet sur la fonctionnalité du système.

3.1.4. Par confrontation aux obstacles

Afin de permettre au sujet de se confronter aux obstacles, le dispositif doit les rendre saillants. Ils sont limités en nombre et sont centrés sur les transformations des représentations initiales des élèves. Ils renvoient à une analyse épistémologique de la signification de la réussite d'une activité scientifique ou technique. Un tel dispositif consiste à faire prendre en charge le guidage par les objectifs-obstacles de manière explicite et objective et de concentrer leur fonction sur cet aspect. Cette modalité se situe sur un axe de travail sur les stratégies de résolution.

3.1.5. Par travail sur des tâches à erreurs

Le travail sur des tâches à erreurs consiste à proposer aux élèves des solutions comportant des erreurs et de leur demander de repérer ce qui est exact et ce qui ne l'est pas, puis de déterminer ce qu'il faudrait faire pour que la solution soit exacte. Ces deux activités visent à faire repérer, verbaliser et organiser les critères de réussite et de réalisation de la tâche. Cette perspective a pour objectif de faire formaliser l'élaboration de la base d'orientation par les élèves. La base d'orientation permet à l'individu de se représenter le but à atteindre, de repérer les informations essentielles, les opérations à exécuter et l'ordre d'exécution. Cette présentation hiérarchisée prend la forme d'une « carte d'étude » (VIAL, 1987). Cette modalité se place dans une perspective de l'évaluation-régulation, elle se situe sur un axe psychopédagogique.

3.2. Prédictions sur les différentes modalités

La représentation de ces quatre modalités sur les deux axes est présentée dans le schéma 4. Notre hypothèse prédit, pour le posttest, en termes de performances des sujets, le classement suivant : 1) confrontation aux obstacles, 2) tâches à erreurs, 3)

logique experte et 4) guidage de l'action. La comparaison des performances s'appuie sur plusieurs indicateurs : découverte des contraintes, mode de déplacement, gestion du transport de pièces, rebouclage en fin de cycle et point de départ du cycle. Nous présenterons ici les principaux résultats obtenus lors du test et du post-test.

Schéma 4

Stratégies Psycho-pédagogie

confrontation aux obstacles

mise en saillance des obstacles critères de réussite et detâches à erreurs réalisation « carte d'étude » objectifs fiches de guidance fiches d'aide guidage de l'action

listing des contraintes catégorisation, hiérarchisation

solutions partielles solution globale logique experte

4. Les résultats

Les résultats pour ces différents points sont présentés selon trois niveaux : niveau optimal, médium et minimum. Le niveau optimal correspond à une prise en compte de plus de 80 % des contraintes, une gestion des déplacements simultanément, une coordination de la gestion du transport de pièces, un rebouclage en fin de cycle et un point de départ quelconque. Le niveau médium correspond à une découverte de plus de 60 % des contraintes, un déplacement simultané avec prédétermination des ordres d'arrivées, un rebouclage en fin de cycle sans point de départ d'un point quelconque. Le niveau minimum caractérise une découverte des contraintes inférieure à 60 %, un déplacement séquentiel, un rebouclage en fin de cycle partiel ou séquentiel, un point de départ fixé arbitrairement en un point. Le tableau 1 présente l'ensemble de ces résultats pour le test et le post-test.

Tableau 1

Performance des dyades selon les modalités

Niveau : optimal médium minimum critère modalité test test test post-découverte contrainte logique experte 6 1 0 4 0 1

guidage action 1 2 2 0 3 4 conf. obstacles 3 S 2 0 1 1 tâche erreurs 2 5 3 1 1 0 mode de déplacement logique experte 6 0 0 6 0 0 guidage action 3 1 0 0 3 S conf. obstacles 3 0 3 5 0 1 tâche erreurs 2 0 2 6 2 0 gestion pièce logique experte 3 1 2 1 1 4 guidage action 0 1 3 2 3 3 conf. obstacles 4 0 2 5 0 1 tâche erreurs 0 1 6 5 0 0 rebouclage logique experte 0 0 1 0 S 6 de fin de cycle guidage action 0 0 1 0 S 6 conf. obstacles 2 1 3 4 1 1 tâche erreurs 2 0 2 4 2 2 point de départ logique experte 1 1 5 5 0 0 guidage action 0 0 6 6 0 0 conf. obstacles 3 2 3 4 0 0 tâche erreurs 2 1 4 5 0 0 solution globale logique experte 0 0 1 o s 6 guidage action 0 0 0 0 6 6 conf. obstacles 1 0 S 5 0 1 tâche erreurs 0 0 4 3 2 3

Ces résultats infirment partiellement notre hypothèse. En effet, plusieurs constats s'imposent :

Aucun groupe ne produit une solution optimale lors du test (à l'exception d'un) et post-test. Nous pouvons donc penser qu'aucun dispositif d'apprentissage ne permet aux élèves d'élaborer une représentation fonctionnelle du système.

Le dispositif par confrontation aux obstacles permet aux élèves (5 dyades) de produire une solution médium qui, si elle répond à la fonction globale, ne la prend pas totalement en compte.

C'est les sujets des groupes confrontation aux obstacles et tâches à erreurs qui découvrent le plus de contraintes lors du post-test.

Les sujets du groupe logique experte proposent un déplacement optimal lors du test ; solution qu'ils abandonnent lors du post-test. Ce constat est valable pour les dyades des autres groupes qui ont adopté ce type de solution lors du test.

Ce bref aperçu sur les résultats nous amène à nous interroger sur la mise en place de dispositifs efficaces qui permettraient une stabilisation des apprentissages dans le temps. Une centration du dispositif sur un seul axe se révèle insuffisante. À partir des travaux sur l'importance de la régulation dans les apprentissages, nous pouvons penser qu'en combinant les différents dispositifs avec un travail sur des tâches à erreurs nous obtiendrons des résultats nettement plus significatifs. C'est ce que nous allons examiner à présent.

5. Dispositifs mixtes

Pour ce faire, nous avons construit trois nouveaux dispositifs s'appuyant sur la logique experte, le guidage de l'action et la confrontation aux obstacles. À chacun de ces dispositifs, nous avons adjoint un travail simplifié sur les tâches à erreurs. En tout état de cause, les modalités de passation sont restées strictement identiques aux précédents dispositifs (durée, système, test, post-test, etc...). Notre nouvelle hypothèse place la confrontation aux obstacles avec un travail sur des tâches à erreurs comme devant permettre les meilleures performances lors du test et du post-test. Nous pensons également que les sujets des autres groupes performeront de manière optimale lors du test mais que ces performances se dégraderont très nettement lors du post-test. Les résultats de cette étude sont présentés dans le tableau 2.

Ces résultats vont dans le sens de notre hypothèse. En effet, nous constatons que les sujets ont un niveau de performance optimale lors du test et ce quelle que soit la modalité. Par ailleurs, seules les sujets de la modalité confrontation aux obstacles plus tâches à erreurs conservent ce niveau de performance lors du posttest. Nous pouvons observer une forte dégradation des performances des sujets des autres modalités. L'ensemble de ces résultats nous amène à plusieurs conclusions.

Tableau 2

Comparaison des performances pour les modalités mixtes

niveau : optimal médium minimum critère modalité test test test post-découverte contrainte logique experte 6 4 0 2 0 0

guidage action S S 1 1 0 0 conf. obstacles 6 6 0 0 0 0 mode de déplacement logique experte S 2 0 3 1 1 guidage action 5 2 1 2 0 2 conf. obstacles 6 S 0 1 0 0 gestion pièce logique experte 6 1 0 S 0 0 guidage action 1 0 S 6 0 0 conf. obstacles 6 S 0 1 0 0 rebouclage logique experte 5 2 0 2 1 2 de fin de cycle guidage action S 2 1 2 0 2 conf. obstacles 6 5 0 1 0 0 point de départ logique experte S 2 1 4 0 0 guidage action 5 3 1 3 0 0 conf. obstacles 6 6 0 0 0 0 solution globale logique experte 4 0 1 4 1 2 guidage action 1 0 5 4 0 2 conf. obstacles 6 5 0 1 0 0

6. Conclusions

En conclusion, cette étude montre que :

– tous les dispositifs d'apprentissage ne se valent pas du point de vue des performances ;

– centrer un dispositif exclusivement sur un seul axe (stratégie ou psychopédagogie) est peu efficace du point de vue des apprentissages ;

– un dispositif de guidage de l'action, tel qu'il est préconisé par les instructions officielles, se révèle inefficace même lorsqu'il est doublé par un travail sur des tâches à erreurs ;

– l'adoption de la logique experte comme logique d'apprentissage est également inefficace ;

– un dispositif de confrontation aux obstacles suivi par un travail sur des tâches à erreurs est le seul dispositif étudié qui permet une bonne stabilisation des apprentissages dans le temps.

Au travers de cette étude, se posent les questions de la formation des enseignants et de la place possible de recherches en didactique. Entre milieu professionnel et milieu scolaire, il apparaît évident qu'il est nécessaire de construire une interface permettant la transposition didactique. L'élaboration de cette interface est un sujet peu étudié en technologie. Or, nous l'avons vu, les savoirs et savoir-faire du monde industriel ne sont pas directement transférables dans le monde de l'école. Ce rôle est un possible pour la recherche en didactique dans un axe spécifique que constituerait l'ingénierie didactique. C'est un de ces aspects que nous avons essayé de traiter au travers de cette étude mais la question reste ouverte.

Bibliographie

AMIGUES, R., GINESTIÉ, J. (1991), « Représentations et stratégies des

élèves dans l'apprentissage d'un langage de commande : le GRAFCET », Le Travail Humain, Vol. 54.

BACHELARD, G. (1938), La formation de l'esprit scientifique, Vrin,

réédition de 1965.

GINESTIÉ, J. (1987), Contribution à la didactique des technologies

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MARTINAND, J-L. (1986), Connaître et transformer la matière, Berne,

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