CONCEPTION DE NOUVEAUX ENSEIGNEMENTS POUR L'ÉCOLE ÉLEMENTAIRE
Michel VIGNES LIREST. LU.F.M. Créteil
MOTS-CLÉS: MONTAGES ÉLECTRlQUES - SYSTÈMES INFORMATIQUES-RÉALISATION -INVESTIGATION
RÉSUMÉ: L'introduction dans l'enseignement primaire français des techniques contemporaines, montages électroniques. électromécanismes, objets et systèmes informatiques, pose le problème du remaniement des contenus afin de les rendre enseignablesàl'école. Des décisions sontàprendre sur divers plans: les objets et systèmesà introduire, les tâches à proposer aux élèves, les réseaux conceptuelsàstructurer. Il importe de concevoir des savoirs "fonctionnels" en articulant approche sciemifique et approche technique.
SUMMARY: Electronical circuits. electro--mechanîsms, compulers, up to date technicaJ systems are introduced in french primary schooL Theo the problem is the teaching contents re-rnake for pupils. Decisions seat upon various levels ; systems to be introduced, pupils tasks, conceptual patterns. We have to conceive "functional" knowledge, linking wgether scientifiçal and technical approach.
1. INTRODUCTION.
Visant l'élaboration de nouveaux contenus d'enseignement dans le domaine "Sciences et technologie"à l'école élémentaire, les résultats présentés ici sont issus d'une recherche de type curriculaire, menée de 1986à1990. dont le souci principal a toujoW'Sétéla "faisabilité" et l'efficacité pédagogiques. L'ensemble de cette action-recherche peutêtreprésenté selon troispointsdevue qui entretiennent entre eux des relations de détennination réciproque: l'élaboration des contenus, la fonnation des maîtres, la mise en oeuvre dans les classes.
2. AUTOMATISMES ET INFORMATIQUE: VERS UN NOUVEAU DOMAINE 2.1. Les programmes officiels
Cette recherche s'inscrit dans un ensemble d'innovations qui ont toutes eu pour but d'introduireen find'écoleprimairefrançaise (élèvesde 9 à II ans) l'étude d'automatismes pilotés par micro-ordinateur. Cette introduction est,àl'origine, suggérée par les programmes officiels de 1985 où l'on trouve dans la rubrique "technologie informatique", le micro-ordinateur, les automates, les robots.Lepoint de vue adopté ici consisteàprendre ces programmes au pied de la lettre: aborder dès l'école élémentaire quelques-uns des aspects les plus modernes des sciences et des techniques, en introduisant comme objets d'étude des systèmes qui utilisent de l'électronique, des électromécanismes, de l'infonnatique ; et ceci dans le cadre d'une finalité générale de nature idéologique, construire les premiers éléments d'une culture scientifique et technique qui permettent aux élèves d'accéder progressivementàla maîtrise pratique et intellectuelle du monde.
2.2. Nouveaux objets, nouveaux contenus
Il est devenu banald'affl11Derque des contenus d'enseignement scientifique et technique pour l'école et le collège (élèves de 8à15 ans) ne peuvent découler directement de réductions successives des contenus disciplinaires de type universitaire. Il convient donc de préciser les décalages, voire les ruptures àenvisager entre contenus enseignables à un niveau donné et savoirs académiques aujourd'hui reconnus. Cette clarification pone sur trois plans:
celui des objets et systèmes que l'on intrcxl.uit dans la classe ; - celui des activités menées par les élèves et des modes d'approche; - celui des notions et concepts que les élèves aurontàélaborer et utiliser.
3. LE CHOIX DES OBJETS ET LEUR PLACE
Une première rupture vis-à·vis des champs disciplinaires traditionnels consiste à appréhender les automatismes dans leur globalité, malgré la pluralité de dimensions et la complexité des systèmes. Les aspects informatiques, matériels et logiciels ne constituent qu'un sous-ensemble et non un cadre
général dom l'automatisme serait une application particulière.
Les contraintes matérielles et financières du fonctionnement des écoles élémentaires conduisentà introduire des objets qui relèvent tous du domaine de la maquette simple ou du jouet: maquette de feux de carrefour, avec des voyants lumineux qui s'allument et s'éteignent selon des cycles réguliers, mobile bidimensionnel qui exécute divers trajets, détecte et contourne des obstacles, etc. Ces objets font partie de l'environnement quotidien des enfants; certaines analogies avec des objets industriels (chariots transbordeurs par exemple) peuvent être envisagées.
4. LES MODES D'APPROCHE
4.1. Complémentarité des points de vue et des tâches
Si les maquettes proposées se rapprochent de l'univers ludique des enfants elles sont ici le support de réels apprentissages.TIn'estpasquestion de transférer à l'école des pratiques d'utilisation quotidienne ou de se limiter à la seule construction de gadgets divers. Les automatismes pilotés par micro-ordinateur se prêtentà de multiples activités de classe :
- une utilisation raisonnée pour faire exécuter des trajets divers à un mobileà partir du clavier; - une programmation, avec écriture de l'ensemble des procédures de commande;
- la construction de la maquette, dans ses aspects architecturaux et électriques; - l'étude des principes de fonctionnement et des phénomènes mis en jeu.
Autant de points de vue nécessaires pour accéderà une meilleure compréhension et une meilleuremaîtrise des systèmes. L'enseignement a donc ici pour but d'articuler entre elles des tâches très diverses.
4.2. Démarche de réaJisation - démarche d'investigation
Àcertains moments les activités sont totalement orientées vers la production effective d'un objet, dans ses aspeçts matériels, construction de la maquette. et immatériels, écriture du programme de pilotage. On peut alors parler de démarche de "réalisation". D'autres moments sont consacrésà la familiarisation avec des composants et des matériels; à la fonnulation des problèmes: qu'est·ce qu'un relais électromécanique, comment câbler un moteur pour le commander en marche-avant, marche-arrière, arrêt? La résolution de ces problèmes passe par l'étude de montages expérimentaux, par des essais de programmation avec rectifications successives des erreurs. Autant d'activités qui correspondent à une démarche d'investigation.
4.3. Equilibre entre approche technologique et approche scientifique
Le souci d'articuler au sein d'un même projet les deux approches de réalisation et d'investigation doit guider l'enseignant dans ses choix d'organisation de la classe et des activités. Mais il représente également une rupture par rapport aux découpages traditionnels entre les divers enseignements disciplinaires. L'approche de réalisation correspond à une dimension essentielle de la technologie. L'approche d'investigation présente des caractéristiques qui l'apparentent aux: activités
scientifiques. L'articulation entre ces deux approches doit pennettre de maintenir un équilibre entre point de vue technologique et point de vue scientifique, sur un même objet et dans le cadre d'un même projet, et d'éviter ainsi J'accumulation et la juxtaposition de connaissances particulières. Mais il importe alors de fOImuler des "savoirs. pour l'élève", fonctionnels pour les problèmesà résoudre.
s.
ÉLA80RATION D'UN RÉSEAU CONCEPTUEL5.1. Une notion-pivot : la commande
Pour accompagner l'introduction des systèmes infonnatiques d'un point de vue technologique, de nombreux novateLm ont tenté de repérer quelques concepts clefs directement issus d'un "savoir savant" puis d'en envisager des niveaux de fonnulation réductibles à l'enseignement primaire. Les automatismes doivent alors participer,à l'instar d'autres exemples, à la construction d'un savoir informatique général. Etudier les automatismes pris dans leur globalité en neconsidérant le système informatiquequ'entant qu'élément parmi d'autres, est une manière radicalement différente de poser les problèmes.Dece point de vue la notion deconunande apparaît fondamentale. D'une part elle est au coeur même des principes de fonctionnement et d'organisation des systèmes que l'on étudie. En la plaçant au centre d'un réseau conceptuel nouveau qui intègre les aspects électriques et informatiques ons'affranchit en partie du découpage en champs disciplinaires différents que les experts ont tendance à projeter sur les automatismes: électrotechnique, électronique, infonnatique. D'autre part elle correspond à un noeud dans l'articulation entre les différentes activités des élèves: réalisation de la maquette, notamment dans ses aspects électriques, analyse des effetsà obtenir, conception d'un programme de pilotage. Prenons l'exemple de la réalisation d'un mobile bidimensionnel avec moteurs électriques. La difficulté ne concernepasl'alimentation d'un moteur par une pile, elle réside dans la mise en oeuvre d'un montage qui contient deux inverseurs comme organes de commande. permeuant d'obtenir marche-avant, marche-arrière, arrêt du moteur. C'est alors la distinction entre organe et fonction technique qui est mise en jeu. Les élèves doivent aboutirà une description fonctionnelle de la commande.Ilest aussi nécessaire de caractériser la notion de corrunande sur un autte plan. Dans un montage électrique simple,unrécepteur est actif ou inactif par action sur un interrupteur. La commande est alors conçue conune une action déclenchant un changement d'état du système. Dans le temps, la commande est instantanée alors quel'étatest pennanent. Dans l'espace la commande est en général délocalîsée par rapport à l'effet dont le récepteur est le siège. Il y a transmission instantanée d'un point à un autre dece que l'on peut appeler un "signal". Lesignal est conçu comme un changement, une transition transmise, ici entre deux niveaux de tension. Sa transmission est la condition du changement d'état. Un programme de pilotage est une séquence d'opérations. Les notions de mémorisation des instructions tapées au clavier et de temporisation dans la succession des différentes commandes doivent être dégagées pour pensercette séquence. L'exécution du programme apparaît comme rémission de signaux qui déterminent les changements d'état de la partîe opérative du système. On aboutit ainsià un réseau conceptuel minimal que les élèves sont amenésàfaire réellement fonctionner dans le cadre d'une
réalisation.
5.2. Deux descriptions pour les montages électriques
Leproblème qui se pose maintenant concerne les notions minimales d'électricité qui doivent entrer dans ce premier réseau conceptuel. Deux arguments ont guidé mes choix: les difficultés des élèves face à la notion de circulation du courant électrique et l'introduction des notions de signal et d'état liées à celle de commande.l'ai ainsi été amené à évacuer les descriptions pourtant chères au physicien, en termes de circuit et de courant électrique caractérisé même implicitement par son intensité. J'ai également évité l'idée de circulation de l'infonnatioD, trop vague et d'intetprétation trop substantialiste.Enrevanche j'ai cherché à développer deux points de vue complémentaires sur les montages électriques considérés comme des systèmes.
Une analyse fonctionnelle du système, met en avant les problèmes de transfen et de transfonnation d'énergie. Les montages sont décrits selon une structure linéaire et non en boucle fermée.
- Une source produit ou stocke "quelque chose" qui est ensuite fourni dans le montage. - Un récepteur consomme et transforme ce quelasource lui fournit.
- Source et récepteur sont reliés par un ensemble de deux chaînes de conducteurs.
Ilya transfen de ce "quelque chose" que l'on peut nommer énergie électrique, de la source vers le récepteur. Cette représentation exprime la nécessité opératoire de deux connexions. Elle n'implique pas le concept de circuit en boucle.
Un premier mcxlèle causal basé sur une approche de la notion de niveaux de tension permet d'interpréter de façon simple le fonctionnement d'objets électriques. La tension est décrite comme une différence entre deux niveaux de tension: un niveau haut (pôle+)et un niveau bas (pôle -). Dans le cadre de cette description, la formulation suivante est accessible; "Pour être actif un récepteur doit être "pris" entre un niveau haut et un niveau bas de tension. Chaque connexion assurée par une chaîne de conducteurs a pour fonction de transmettre un des niveaux de tension fourru par le générateur.
Ce mcxlèle est cohérent avec la commande décrite en rennes de signal et d'état. La commande consiste à transmettre ou non un niveau de tension.Lesignal émis correspondà une transition entre deux niveaux de tension, comme changement de niveau ce signal est instantanément transmis à l'autre bout de la chaine de conducteurs.
6. CONCLUSION
En conclusion je dirais que les maîtres mots sont reconstruction et articulation:
Reconstruction de la matièreà enseigner, en considérant les objets dans toute leur épaisseur et en évitant de se limiterà un éclairage trop particulier, à un seul type de questionnement. Les automatismes et le vocable parfois employé de "robotique" éV<X.Iuent le monde de la production.Or s'appuyer sur des pratiques industrielles me paraît ici, inadéquat pour deux raisons, les pratiques de réalisation envisageables à l'école restent très éloignées de celles de l'industrie, enfin les enfants sont
totalement coupés du monde de la production et l'automatisation n'est peut-être pas la meilleure entrée pour une première approche decetunivers. Dans le cadre d'une culture généralepourde jeunes enfants,ilroe semble que l'environnement immédiat peuplé d'automatismes divers doit servir de référence, dans la mesure où c'est d'abord lui que les enfants ontà maîtriser et comprendre.
Articulationdes tâches et des modes d'approches divers: utilisation, réalisation, investigation. Privilégier l'unde ces points de vue reviendrait à se limiterà un éclairage disciplinaire unique, au profit d'un des aspects technologique ou scientifique.Lebut doit rester l'appropriation de savoirs et savoir-faire "fonctionnels"à propos des objets. Les besoins de la réalisation rendent nécessaires la compréhension de cenains phénomènes, la maîtrise du fonctionnement de certains éléments. Les connaissances acquisessedéfinissent commelesrésultats d'une démarche d'investigation et comme des outils utiles pour menerà bien une réalisation.
On est ainsi amenéà considérer la matière à enseigner de façon radicalement différente. Le domaine "des objets électriques" est totalement modifié dès lors que l'on introduit des systèmes informatiques et des montages électroniques au côté des montages électriques classiques de type énergétique. Les "savoirs savants" organisés en champs disciplinaires délimités servent de toile de fond à la restructuration, mais il ne sont pas une matrice d'où l'on extrait des éléments de connaissance.ils Servent essentiellement de termesdecomparaisonafmde concevoir les articulations entre savoirs reconstruitspourêtre enseignablesà J'école et connaissances académiques.
BIBLIOGRAPHIE
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