COMPRENDRE QUELS SAVOIRS ET QUELLES
STRATÉGIES LES ÉLÈVES DE COLLÈGE METTENT EN
ŒUVRE EN COURS DE TECHNOLOGIE
Évelyne BÉDART-NAJI LU.F.M. Douai
MOTSCLÉS: APPRENTISSAGE EN TECHNOLOGIE SYSTÈMES AUTOMATISÉS -LIAISONS MÉCANIQUES
RÉSUMÉ: La Technologie au Collège est une discipline qui permet de construire des connaissances par la complexité des situations proposées, La panicipation de l'élèveà la conception du projet l'obligeàchanger de point de vue constamment (de l'analyseà la synthèse et inversement), à construire les relations fonctionnelles du système à inventer. Nous montrerons ici la difficulté à les acquériràtravers une activité de conception d'un système automatisé par des élèves de quatrième.
SUMMARY : Technology in College is a discipline which allows to build knowledge through the projet's complexity in the given situation. The students'involvement in the projet's design constrains themselves to constantly change their viewpoint (from analysing to synthetizing and inversely) and to build up functional connections of the system to make up, We'lI show here the difficuity to get them through an activity of automatized-system's design with students in the fourth grades.
La Technologie au collège doit pemlettre au citoyen de demain la compréhension des"liens entre la technique et la culture d'une société" (M.E.N., 1985). L'étude des objets techniques et leur décomposition en éléments ne suffit plus à comprendre les objets techniques complexes d'aujourd'hui.
Dans ce contexte, comment faire acquérir des connaissances technologiques aux élèves de collège? Pour répondre àces questions, il faut d'abord comprendre comment les élèves s'approprient les contenus du programme de Technologie et quelles difficultés ils rencontrent pendant ces activités. Nous avons retenu ici une activité de conception de projet de système automatisé.
1. QUE VOULONS-NOUS COMPRENDRE?
La Technologie permet de construire des connaissances par la complexité des situations proposées. Pour élaborer un projet, il faut:
- comprendre le problème posé, donc se construire une représentation du but,
- trouver des solutions, donc satisfaire de nombreuses contraintes quant à l'objet et son environnement.
Pour cela l'élève doit être capable d'analyser la situation proposée mais, sunout, il lui faut construire des relations fonctionnelles entre les éléments du système à concevoir (inventer). Il doit changer de point de vue constamment pour mettre en œuvre des solutions techniques qui aboutissentàun système (objet) efficace.
2. QUEL TYPE D'ACTIVITÉS?
L'activité des élèves a donc porté sur l'automatisation d'un système technique, ici une barrière de parking, Elle permet l'interaction de différents domaines, elle est compliquée sur le plan technique mais décomposable en éléments uniques, elle est complexe au sens de Lemoigne (1990) dans son fonctionnement. En nous situant dans une perspective constructiviste, la situation devait permettre aux élèves de chercher des solutions par essai-erreur.
Les élèves de Quatrième que nous avons observés ont donc inventé une maquette de barrière de parking avec du matériel type "Iego technic" et l'ont automatisée par programmation sur ordinateur. La situation retenue permet à l'élève de contrôler ses actions sur le matériel, de voir le résultat immédiat sur le fonctionnement de la maquette,
3. POURQUOI CHOISIR LA CONCEPTION D'UN SYSTÈME?
Nous avons choisi cette activité parce que les tâches de conception d'un système technique obligent l'élève à changer de point de vue. Le point de vue de J'usager permet de décrire la tâche à
exécuter. Le point de vue du concepteur permet de trouver des solutions techniques au problème posé. L'élève doit analyser, décomposer, mettre en relation des sous-systèmes et synthétiser le systèmeàconcevoir.
La construction de la maquette confronte l'idée à la réalité. La panne ou le dysfonctionnement oblige l'élève à reconsidérer ses représentations de l'objet etàconstruire les relations fonctionnelles manquantes.
Le pilotage par ordinateur demande une décentration de l'élève. La maquette devient instrument (au sens de Rabardel) et objet de contrôle. La programmation oblige l'élèveàprendre le point de vue de la machine qui va commander la maquette.
4. QUELLES DlFFICULTÉS ONT RENCONTRÉES LES ÉLÈVES?
Nous n'avons retenu ici que les problèmes de guidage en translation dans les liaisons pivot et les relations entre sous-s)'stèmes.
4.1 Faire tourner une poutre "Iego" autour d'un axe cruciforme
poutre
-embout d'axe
axe
clavette
oulie ou roue
dentée
rotation
entre la poutre et l'axe
(La poutre n"est pas entraînée régulièrement par la rotation de J'axe)liaison fixe
entre la poutre et l'axe
(Lu rotation de J'axe entraînela rotation de la poutre)
Faire tourner une poutre autour d'un axe paraît évident. Il suffit de bloquer la poutre avec deux embouts, mais le matériel "lego" ne pemlet pas un blocage efficace. Il existe encore une rotation intempestive de la poutre par rapportàl'axe car les embouts ne s'encastrent pas dans les "trous" de
celle dernière. Il faut donc détourner de sa fonction habituelle une poulie (sa fonction habituelle étant de transmettre un mouvement) et l'associer à une clavette pour obtenir un blocage efficace. Dans ce cas le guidage en translaùon est réalisé efficacement.
La transmission avec l'axe du moteur a donné lieu aux mêmes problèmes de guidage en translation. L'utilisation du joint de cardan permet de résoudre une liaison encastrement mais apporte une souplesse dans le mouvement qui perturbe le fonctionnement de transmission suivant.l!faut un guidage de l'axe.
La réduction de la vitesse directement par la vis sans fin génère un problème de liaison encastrement: la vis glisse sur l'arbre du moteur, il faut penser à la bloquer avec un embout pour obtenir un mouvement de rotation et empêcher le glissement.
4.2 Les problèmes de relations entre les sous-systèmes
Les élèves sont souvent prisonniers deschèmes d'utilisation (Rabardel) qui semblent faire obstacle à la compréhension de la situation.
Pour réduire la vitesse, il faut raisonner en termes de relations: transmettre le mouvement et ordonner des éléments liés à la réduction. Mais cela ne suffit pas, cependant, à construire un système de réduction de vitesse. Les relations sont également à construire autour du support et des axes pour engrener efficacement les roues dentées (porte-à-faux). Il faut également être capable de changer la direction de la transmission du mouvement et relier efficacement les différents types de transmission du mouvement et le moteur.
Par exemple, "lever et baisser" la barre d'une barrière, c'est faire tourner une poutre "lego". Le moteur qui va pemleltre l'automatisation est souvent oubliée. Il faut également construire une relation entre la réduction de vitesse et la transmission du mouvement avec l'axe du moteur.
Réduire la vitesse dans notre cas est lié à une double contrainte: il faut transmettre le mouvementà partir du moteur (trouver une solution de liaison), et il faut réduire efficacement la vitesse de la barre. l!faut donc une mise en relation dynamique des éléments pour construire une solution efficace. Une mise en relation statique constitue un obstacle difficile à dépasser.
Voici le dessin de M. Laure, une élève de quatrième technologique qui s'est beaucoup centrée sur ce problème de barre et d'axe.
Elle n'a pas pris conscience du changement de direction nécessaireàla transmission du mouvement. En effet, le moteur est relié par un système poulies-courroie perpendiculaireàl'axe et il faut changer de direction pour installer le système de réduction. Son discours tourne autour de"la barrière et l'axe qui n'étaient pasfues... L'axe et la barrière sont arrêtés grâceàl'appui..."(guidage en translation, ici des embouts). La barrière c'est juste une barre qui tourne autour d'un axe et qui a besoin d'un guidage. Celle élève est tellement centrée sur ce problème de guidage qu'elle n'a pas dessiné le système de poulies-courroie qui pemlet la transmission du mouvementàpanir du moteur. Elle peutIe décrire, il existe sur la maquette mais elle ne sait pas le dessiner car elle ne l'a pas analysé.
l..-_ _
La centration sur un problème particulier rétrécit l'univers de l'enfant et fait obstacle à la mise en relation des systèmes. L'élève ne peut pas prendre le recul nécessaire. Il faut qu'il ait une vue plus synthétique pour construire les invariants nécessairesàla compréhension du système technique. Nous retrouvons ce même phénomène dans la phase de programmation.
Il faut se décentrer et prendre le point de vue de la partie commande pour appréhender efficacement le problème. Donner des ordres relève d'une activité très proche de celle de l'usager, prendre en compte une information extérieure est plus complexe, si l'on se réfèreàdes situations familières. Les élèves n'ont pas conscience des informations qu'ils prennent sur l'environnement. Prendre un objet et le déplacer sont pour eux uniquement du côté de l'action, la prise d'information est inconsciente. Prendre la "place" de la machine qui n'obéit qu'à ce qu'on lui dit de faire est inhabituel.
5. CONCLUSION AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DE CETTE SITUATION Cette situation ne permet pas de gérer un vrai système automatisé mais elle a l'avantage de confronter les représentations familières (Boder, 1992) des élèvesà une cenaine réalité, même si elle est simulée. Les élèves sont en prise directe avec un environnement sur lequel ils peuvent agir. L'action est visible et les élèves peuvent en suivre le déroulement, identifier la panne ou le dysfonctionnement et y remédier sans avoir besoin de connaissances très pointues dans les domaines de la mécanique ou de l'informatique. Ils peuvent conceptualiser le fonctionnement d'un système automatisé et relativiser l'importance du programme par rappon à la panie opérative (effet magique).
Celle situation permet de poner un regard,àla fois global et analytique, selon le problèmeàrésoudre grâceàla nécessité d'une mise en relation dynamique d'un système technique complexe.
Expliquer les liaisons mécaniques ou le système de réduction de vitesse, la mise en place d'exercices sur ces concepts ne suffisent pas aux élèves pour s'approprier ces connaissances. Ils ont besoin de construire leur représentation en confrontant leurs idées à des situations qu'ils peuvent gérer eux-mêmes. Elle oblige le développement de cette compétence de décentration, de changement de vue, d'analyse des relations nécessaires à la conceptualisation du système
La maquette permetàl'élève de donner du sensàl'activité. La contextualisation d'un projet de technologie est indispensable pour appréhender l'adaptation des contraintes liéesàl'environnement sur le système à fabriquer.
Les citoyens de demain doivent être en mesure de porter un regard critique et averti sur l'environnement technique dans lequel ils sont plongés. L'informatique et les systèmes automatisés font panie intégrante de notre vie quotidienne et souvent ils génèrent une admiration béate ou ils sont considérés comme des phénomènes proches de la magie. Va-t-on continuer longtemps encore,ànier la nécessité d'une culture technique dans notre société? Il est vrai que c'est merveilleux quand on appuie sur un bouton et que"ça marche"...Et quand le système tombe en panne...
BIBLIOGRAPHIE
BLANCHETA.,CELLERIER G. et al.,Le cheminement des découvertes de l'enfant,Delachaux et Niestlé, 1992.
BODER, Le schème familier, unité cognitive procédurale privilégiée, inLe cheminement des découvertes de l'enfant,Delachaux et Niestlé, 1992, pp. 193-212.
LEMOIGNEJ.-L., La modélisation des systèmes complexes, AFCET Systèmes, Dunod, Paris, 1990.
RABARDEL P., Les activités avec instruments, documents de synthèse en vue d'obtenir l'habilitation à diriger des recherches, Université Paris VIII, 1994.
M.E.N., B.D., nO3D,arrêté du JOjuillet 1984, Programme de technologie classes de 6e, Se, 4e et 3e des collèges.
