ARTheque - STEF - ENS Cachan | Exposé sur la place de la physique dans l'enseignement de la technologie en 3e

EXPOSE SUR l,A PJJACE D)1l LAPHYS IQUE DANS L' ENSB:I'G1,ï~;MBNT DE LA

TECHNOLOGIE

EN CLASSÉ DE 3e

I7

Avant d' aborder

immédiatement

,1

La place

de'

la.

physique

en

tech-nologie" ,j 1 aurais aimé rapl'>eler tout -:d 'abord ce que l' On dit' dans

les instructions-officielles.

Dans les instructions du II aodt 1964 on lit que:

npour donner à cet enseignement'dera~sonnement,le support scientifi-que qui lui est indispensable,on admettra en généralisant,que;s'agü~ ssant d'utiliser des appareils' des inécanismes,des objets,les profes-seurs feront en premier lieu appel aux connaissances mathématiques surtout en classe-de 4e.En-classe de 3e s'y ajouteront les notions élémentaires de physique •• ·~."

et- c'est à la sui te de ces instructions que-paraissait le prograInI.le indicatif des deux classes que vous connaiasez bien.

Dana les instructions du 1er juin 1966 on trouve:

"La technologie doit ~tre considérée comme une discipline nouvelle et comme une discipline scientifique de l'ordre expérimental ••• "

Puis,l'auteur côntinue en voyant :Une grande parenté pédagogique entre les sciences physiques" et latechriologie, cette dernière étant simple-ment: " ••••• plus accessible,moins complexe,se prétant mieux à l'ob-servation comme àl'expérimentation,car elle est l'analyse de l'objet

usuel fabriqué par l'homme' ••• " -

,-L'auteur qui distingue alors les langages propres de ces deuxdisci-plines d'une part les mathématiques pour les sciencesphysiques,d' autre part l.'expressiongraphique en technologie,reconna1t'néanmoins comme dana les instructions d'aout 1964,que la. technologie pourra faire apJ;>el à des notions de mathématiques ou de physique:

" ••• Peut-~tre m~me ces notions seront-elles rencontrées pour la première fois,et cette possibilité d'une approche concrète d'une notion théorique offerte parla technologie n'est pas la moindre dé n , _<-lOS qua lot' _1. es ••• Il

, Il appara1t-à la lecture de ces textes une certaine ambiguïté entre la ligne d'esprit du progrà.mme,définie'le II aodt 1964 èt les mises en garde successives quant à la place de -l'analyse d'un. phéno-mène,comme s'insérant dans l'étude d'un objet.Ambigu1té d'ailleurs

entretenue par la distinction a.dministrative des heures de technolo-gie et de physique pures ainsi que parla diversité du personnel enseignant.

Or

il se trouve que,de m~me que l'homme a su donner aux objets ,des forme telles qu'un certain nombre de leurs pièces-réalisant un

mouvement répondant à une fonction bien précise que l'objet devra' . réaliser,il a mis en même temps àson-'ervice un certain nombre de

phénomènes simples qui engendrent ces mouvements. _

Il vient alors qùe si l'étude expérimentale de ces mouvements (trajectoire,amplitude du mouvement, figures engendrées,vitesse de -déplacement, ••• ) nous permet de passer de la connaissance confuse à la connaissance scientifique en déduisant 'pour chaque type de mouve-ment des types de solutions technologiques à mettre en oeuvre

(guidages, surfaces fonctionnelles, liaisons, ••• ) l'étude expérimentale des phénomènes simples liés au mouvement engendré,nous -permet par l' évaluation des sollicitations exercées ,d'épanouir llanalyse deI' objet.

Ainsi pourra--t-on justifier d'autres solutions ayant trait par exemple: aux frottements mis en jeu,aux conditions d'étanchéité et autres dispositifs spéciaux adoptés (longueur des bras de levier d'un tourne à gauche,forme du bouton poussoir d'un crayon à bille,etc).

Toutefois il ne faut pas oublier que,si,nous,professeurs,savons que notre enseignement s'appuie sur un canevas de connaissances gra-phiques,techniques,mathématiques ou physiques,propre à ouvrir 11 intel-ligence et à préparer l'esprit à la réflexion scientifique,il faut que pour l'enfant,ces connaissances apparaissent comme une nécessité,cont-ribuant par la justification des solutions adoptées à l'épanouissement de l'analyse d'un objet.

G'est ainsi que l'entendaient les promoteurs de cet enseignement en écrivant dans les inst,:ructions dt août I961- que:

"La technologie étant une logique des fonctions techniques,les données physiques qui y interviennent,ne sont utiles que dans la 'mesure où elles sont utiles à l'enseignement de cette logique fonctionnelle ..• "

Et pourtant,tout objet technique mettant à lui seul comme le rap-pelle H.MAUREL toutes les lois de la nature,on a bien dû se contenter d'isoler le phénomène essentiel à la fois suffisamment simple et ob-servable pour permettre l'expérimentation.

C'est pourquoi à la suite de recherches pédagogiques de nos col-lègues de la R.T.S., nous pensons que,de même que les lignes de force du programme de i~e, portent sur l'étude technologique du mouvement des

~ièces, entendez par étude technologique l'étude expérimentale du mou-vement,à la recherche des solutions remplissant cette fonction et 1': __ analyse de la solution adoptée,les lignes de forces du progra~me de 3e portent sur l'étude technologique des grandeurs mesurables intervenant 0ans l'analyse de l'objet;parmi ces grandeurs mesurables,je distingue-rai les grandeurs mesurables "inertes" qui sont longueurs,angles,volu-mes des grandeurs longueurs,angles,volu-mesurables au sens "dynamique" que sont force,couple pUiss&nce,intensité,tension.S'il est bien évident que dans un tel" , > } enseignement ces notions indispensables à l'épanouissement de l'analyse de l'objet,gagneront toujours à être introduites à patir d'une expèri-mentation tirée de l'objet,il pourra arriver parfois que le maître pour diverses raisons,ne puisse justifier expérimentalement un phénomène ou lIno loi et soit obligé d'en donner en le commel1t~.:,1t,le résultat global cette manière d'aborder une notion aura du moins l'avantage de faire comprendre à l'enfant que la mise au point des objet a ~ouvent précédé la justification scientifique des solutions adoptées.

Voyons ensemblè si vous le voulez bien maintenant d'abord' en méca nique puis en électricité,à quoi peut-on'limiter les notions fondamen-tales à introduire,et quelles sont les méthodes pédagogiques à mettre en oeuvre.

lYïise à part l'étude des grandeurs mesurables "inertes" qui ren-trent dans le cadre général de la métrologie et dont je dirai un mot tout à l'heure,la partie mécanique du programme de 3e consiste dans l' introduction à travers l'objet technique des notions de force et de couple.Alors qu'en physique,l'étude du poids d1un corps précède la no tion de force,il a paru plus aisé dans l'univers des objets,d'aborder directement les notions de force et de couple , parce qu'elles étaient liées à l'effort exerce,aux déforBations produites et aux mouvements engendrés par une ou un ensemble de pièces du dit objet.

En limitant ainsi les é~ents de mécanique aux deux force et de couple on peut mener comme pour l'analyse des de translation et de rotation,l'étude de ces phénomènes de identique:

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otions de ouvements façon I) Tout d'abord 'on constatera dans chaque cas:dYune part,les défor-matiohs subies par le système élastique sur lequél s'exerce l'action d'une force ou d'un couple et d'autre part,la nature du mouvement engendré par la sollicitation,mouvement que l'on analysera ensuite à la lumière des acquisitions de la classe de l~e.

A.la sUite· de quoi on fera bien remarquer qu'il he peut y avoir équi-libre du système élastique,que lorsque celui-ci exerce une sollicita-tion de même nature (pas forcément de m~me type) rhaisdortt les effets sont opposés à ceux de la sollicitation qu'on veut lui imp6ser.

2) Pour passer de l'objet sur lequel on a constaté les effets stati-ques et dynamistati-ques des effets exercés au dispositif expérimental qui en permet l'étude,il devient indispensable d'élargir le débat en pré-sentant expérimentalement d'autres types de sollicitations que les élèves auront l'occasion de retrouver tout au long de l'année et qui causent les mêles effets!force de pesanteur,force magnétique, etc. Il est facile d'ailleurs de déduire,de l'identité de l'effort exercé sur le système élastique. de l'objet technique et sur le dispositif expérimental par la force de pesanteur, les trois premières caractéri-stiques d'une force que sont:point d'application,direction et sens,en veillant à utiliser la représentation vectmrielle à laquelle les élè-ves sont familiarisés en mathématiques.

3)

Sitôt l'identité de l'effet statique et dynamique de la sollicita-tion exercé sur l'objet technique et sur le dispositif expEGrimental cdnstaté,il devient facile de montrer,que pour différentes positions d'équilibre du disposi~if expérimental,forces et moments de couplee sont des grandeurs mesurables.

4)

C'est là qu'il devient indispensable pour réaliser l'étalonnage du dispositif expérimental,de poser l'unité de force qu'est le Newton et d'ouvrir une parenthèse sur la distinction entre po.ids et masse, je vais d'ailleurs revenir sur cette difficulté.

5)

Enfin forces et couples étant des grandeurs mesurables,le système d'unité étant posé,il devient possible grâce à l'étalonnage du dispo-sitif expérimental d'évaluer la sollicitation exercé sur l'ensemble mobile des pièces de l'objet technique, pour remplir la fonction de:,: .... mandée.Il est à noter qu'à propos de la notion dG couple,on se limi-tera à la mesure,et à la formulation de l'intensité de l'effet d'un couple de force en rotation,appelé moment du couple,lareprésentation du moment ne contribuant pas à ce niveau à llanalyse des fonctions de l'objet.

En bien,il est évident qu'une telle manière,d'une part d'aborder la notion de force avant l'étude de la pesanteur et d/autre part d'as-socier constamment l'aspect statique et dynamique des notions de for-ce et de couple se heurte à quelques difficultés dont les plus impor' tantes sont la notion de centre de gravité et la distinction entre poids et masse.

Dans le premiercas,si le maltre sait choisir judicieusement le système matériel en équilibre,la notion de centre de gravité n'est pas indispensable pour désigner le point d'application de l'effort exercé: par exemple, on fera analyser l '~'quilibre du crochet du dynanomètre et non celui de la masse pesante qui est accrochée.Si par contre,le profe

tion de couple,il faudra bien qu'il réserve une petite transition sur la notion de centre de gravité,pour justifier les états d'équi-libre et la mobilité des plateaux qui interviennent dans les condi-tions de fidélité de l'instrument.

Il res'te l'inéluctable distinction eniio'e poids et masse, rendue indispensable par l'introduction des unités de force;ce sera l'une de ces phases de généralisation,où en s'appUyant sur des exeoples frappants que l'actualité scientifique met à notre disposition,on se

contentera d'aborder l'aspect statique de la notion de masse;en effet, étant donné que même si on a observé le mouvement relative~.

ment lent, engendré par la' sollicitation manuelle sur les pièces !!lobiles de l'objet,tous les résultats ont été formulés à partir des diverses positions d'équilibre du d~spositif expérimental.

Enfin je voudrais dire, que suivant l' obj et, ce peut-·être li éva-lua tion de la fof:ce par unité de surface, qui permettra dans le 'cas du robinet à bouton poussoir,par exemple,sitôt l'étalonnage du res-sort réalisé,de justifier le dispositif d'étanchéité adopté,en te~"

nant compte des normes en vigueur.

Nous éviterons dans ce cas de parler de pression,pourne pas avoir l'air d'introduirE) une notion nouvelle qui sera étudiée et dévelop-pée de manière conplète en classe de seconde.

Mais en regard, (,'; ces difficultés, les avantages dl une telle pédagog:Le sc,nt nombreux et pour n' en ci ter Clue quelClues uns, en voit

que:

Ï) Tout d'abord 9 en li'.lJ.,t. systématiquement la sollicitation et le

mouvement engendré aux diverses solutions technologiques adoptées,on aura é'duqué l'esprit del' élève à 11 analyse complète de l' obj et; en. effet,si la connaissance de l'état cinétique des pièces nous rensei-gne sur le type de guidage adopté,parmi les div~rses conditions d' utilisation,c'est la connaissance de la sollicitation,caus~ du mou-' vement,qui nous renseigne ,sur les solutions technologiques adoptées: dispositifs d'arrêts,longueur du bras de levier,je:uxfonctionnels, lUbrification,éventuellement conditions de fabricâtion,etc.

2) En second lieu, c' e.st crâce Èt cette analyse systél'J.atiquè, que

l'élè-ve sera familiarisé pour ses études ultérieures 'à ce contact perma-, ne nt ~vec le phénomène,en l'initiant déjà et très concrètement:à la

·notion de champs de force,au.principe de l'action et de la réaction aux forces de contact et surtout à la notion de mesure dans son sens le plus général. .

3) Enfin en cristallisant et en limitant les éléments de mécanique à

acqu,érir autour de la notion de force associé au mouvement de trans-lation'et de la notion de couple àssociée au màuvemeht de rotation, on réalise en s'appuyant sur l'étude technologique des mouvements,

la transition avec les acquisitions de la classe de ~,e.

r"laintenant il est trés possible qu'en T.S.E. ou suivant l'horai-re actuel,au cours des heul'horai-res de physique propl'horai-rement dites,vous ayez introduit expérimentalement la notion de force;uuquel qas il vous sera facile de passer à la représentation vectorielle et d'en exploi-ter l'étude à seule fin d'épanouir l'analyse d'un objet.

Je voudrais

à

ce propos citer à,côté des ouvrages existants

le travail très original de 1\1. DE:B'OR-GE sur le ferme porte mécanique dans'" les N°7et 8 du"Cours Industriel" aux éditions Foucher,où après une expérimentation très complète des efforts transmis,l'auteur a montré

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qu'indépendamment des autres conditions d'utilisation,seule la con-naissance de ces efforts permetait d'étudier technologiquement,les

dispositifs susceptibles d'emmagasiner et de restituer l'énergie.

I l reste à dire un mot et à présenter quelques types

d'expéri-mentations.COlillle je le disais précédemment,elle gagnera toujours à

~tre tirée de l'objet technique:soit sur l'objet lui-même,soit à par-tir d'un montage n'utilisant que le dispositif élastique de l'objet technique:c'est ce que nous rappelle un passage des instructions d' aodt I964 oh on lit que les notions théoriques ne seront pas données a priori mais interviendront comme des explications,des justifica-tions au cours de manipulajustifica-tions et de mesùres.

Et finalement l'une des grandes difficultés de cet enseignement va résider dans le choix des objets à partir desquels chaque groupe d'élèves pourra imaginer un dispositif expérimental simple permettant dl i.soler le phénomène mis en oeuvre, qui réalise une fonction de l'

ob-jet,aumême titre que l'on isole à l'aide d'une maquette l'une des fonctions mécaniques de l'objet technique.

Voici par exemple un dynamomètre construit à partir d'un crayon à bille qui permet d'évaluer la force manuelle à appliquer sur le bouton poussoir ou encore un "tournevis dynamométrique" à ressort interchangeable qui permet de faire- une mesure des effets du couple de force exercé sur la lame du tournevis à cliquet par exenple ...

Je pense qu'il y a bien d'autres objets pouvant se prêter à une expérimentation simple:je citerai entre autres:divers arrêts de porte ,les serrures,les clés de toutes sortes,les étaux, les crics,les ro-binets,les tendeurs de chaîne de blcyclette,les dynamomètres pèse-personne et la balancerie en généeal,le fusil harpon,les divers tire-bouchons, etc.

Ces notions de force et de couple acquises,il semble comme le pense nos collègues de la R.T.S. que l'électricité soit plus facile à aborder de manière concrète à partir de la notion de puissance.

Auparavant il est,je pense,indispensable de réserver une petite transition sur l'énergie avec présentation de diverses formes d'éner-gie en particulier de l'énerd'éner-gie électrique à partir des effets du courant.J'ouvre une parenthése à propos de cette transition pour sug-gérer qu'il n'est pas impossible de penser et je vous demande d'y ré-fléchir,que l'on puisse définir à travers les exemples concrets des objets étudi6s,la notion de travail dans le cas d'un mouvement de

translation et d'un mouvement de rôtation,ce qui facilitera de nombreu-ses vérifications numériques à propos des études expérimentales faites sur· les objets précédemment étudiés.

Sit8t l'énergie électrique abordée,on pourra à·partir de l'effet calorifique, introduire à l'aide du thermoplongeur par exemple la no-tion de puissance.On a préféré ici l'effet calorifique à partir dUql~l

l:·I.~)érimentation facile peut être menée directement à partir de l' objet technique.

Puis à partir de la notion de puissance,on peut introduire au cours cle l'étude d'un circuit quelconque l'intensité du courant,carac-téristique dlun circuit en utilisation et la tension constante propre

à la source.A propos de l'étude de ce circuit,pour montrer que l'in-tensité est une grandeur mesurable,il suffit de reprendre l'expéri-mentation sur les effets nagnétiques du courant dont les conséquences mécaniques;force ou couple suivant le dispositif expérimental adopté sont bien connues des élèves.

. Ainsi,sans qu'il sait possible à ce niveau de donner la défini-tion légale de l'Ampère,1'intensit6 dlun cuurant introduite expE;rJ.-mentalement à partir de l'effet magnûtique,aura l'avantage de

s'iden-tifier à l'expcirience de dûfinition.

Et nous en arrivons à la résistance d'un conducteur qu'il devient indispensable. de d~finir à partir de l'expériDentation et des notions acquises même si on a 8te oblige d'en donner ii une image" dans les leçons prcic6dentes à propos du thermoplongeur par exemple.

De sorte que la tension,étant une caracteristique,de la source, l'intensité du courant une caract6ristique du circuit en utilisation

,puissance et rGsistance,apparaissent comme des caractéristiques de l'objet technique,11 une du pouvoir énergétique,l'autre du pouvoir conducteur et l'éventail des objets permettant d'introduire ces ca-ractéristiques est très large. _

Il reste enfin que ces notions fondaIJentales.: puissance , intensité, tension et résistance étant introduites et définies à partir d'une . ,expérir.1entation simple li~5e à l'objet technique ou au circuit élec-trique étudi~,on peut passer à l'étude de tous les montage~ électri-ques possibles et des opérations de d6pannage.

Si j'ai volontairement mis à part la mesure des grandeUrs "inertes" que sont longueurs, angles .. ,c 1 est que pour des raisons d<)rit nous '; ..

allons parler ,on :_ :::,,-e -:; .. ;lus syst8rùatiquenent proceder Èt pa~tir d'

objets courants. '.

Tout d'abord,je voudrais dire,que dès la classe de 4e,au cours des mesures faites avec le pied. à coulisse lors des di vers.es l~lanipu­

lations,l'élève siest d~ja faoiliarisé avec la notion d'incertitude absolue,ainsi que la cote nooinale que l'on reporte sur le dessin.

e'

est pourquoi en classe de 3e les noti,;ns d 1. incertitude. absolue et relative ainsi que l'~tude de l'interr~~~~._ ~ilit6 apparaissent comme une gE5néralisa tian des acquisitions de la classe de 4·e, seule-ment cette génciralisation ntest possible qu'à nartir d'une étude

expériôentale pr0cise des pièces assemblées et en connaissant la cote nominale des dites pièces.

De sorte que,pour justifier le type d'assemblage et les jeux adoptés,il faut trouver des objets courants dont on connaisse très exactement toutes les cotes et sur lesquels on puisse mener une étude expérimentale précise des conditions d'assemblage des pièces,permet-tant de déboucher sur une syubolisation desajustements;voilà beau-coup de conditions qui montrent que lion pourra difficilement introd-uire ces notions à partir d'objets ou d'assemblages courants (l'étude est possible par exenlple à partir de 1; axe du pédalier de bicyclette) mais plus souvent par liétude des instruments de mesure et de

vérJ..fi-cation, dont les dimensions sont connue.s avec une grande précision. A la suite de quoi,c'est la connaissance des conditions d'assem-blage de deux pièces qui permettra,suivant liutilisation (connaissan-ce du mouvement et de la sollicitation) de prévoir et justifier les jeux "fonctionnels" que l'on doit adopter.

'Bn conclusio,dans ce survol de la ligne d'esprit du programme de technologie de la classe de 3e qui porte sur l'étude des grandeurs mesurables,vous vous ~tes bien rendu compte que.je suppose fondus les horaires de physique et technologie,ce qui niest pas encore partout le cas,puisque physique et technologie sont souvent encore

admini-strativement distinctes,quand elles ne sont pas réservées

à

des corps

de professeurs distincts. . ' .

Ce sera alors au professeur de technologie d'harmoniser les deux programmes de physique et de techno1ogie,de telle sorte que 1e8 deux disciplines se complètent l'une l'autre:on peut par exemple réserver

"

t.-)

~. la technologie la mesu.re des longueurs, des forces et des COUDlu$ è.e force et à la physique cel~e des angles,des volumes,de la pesan-teur •••

Il reste qu'il est indispensable pour de oultiples raisons,de (onner à la ligne d'esprit du programme de la classe de 3e un aspect a'lssi oohorent que l'est celle du programôe de la classe de ,1·e: l'une des raisons essentielles tient à l'épreuve acadêElique au B.E.J?C. que nos élèves vont affronter;vous savez que cette épreuve consiste dar:.9 l'analyse d' un docUi~ent qui tiendra lieu dl ob j e,t technique où

l'é~~ve entrainé à cette forne de réflexion fera plus montre diintel-ligetce qu'étalage de ses connaissances;cette épreuve exige néanmoins de l'snsemble des professeurs une unite de vue quant au but culturel et au ":(anevas de connaissances élémentaires à acquérir dans les

deuxc~asses •

C'e~t la raison pour laquelle dans mon exposé sur la technologie dans la ~lasse de troisième,j'ai tenu à faire ressortir l'importance de l'étuée expérimentale de la sollicitation exercée sur l'ensemble mobile d~s pièces de l'objet choisi,comme faisant suite à l'étude expérime:r.tale du mouvement des dites pièces,à seule fin d'épanouir J..~~8:.:J.."y_s1. .de __ ~o~b.i~~; de sorte que pour l' eS1/rFC-entira-fn{"à-'-ëeTte' ",. forme dl a,nalyse, Cl est la convergence des deux études scientifiques,

qui perne~ de dégager ~n~_.f~l~l~_de solutions technologiques rem-plissant :a fonction demandée pour passer ensuite à l'examen des relation5 économiques de l'objet dans son milieu d'utilisation (con-ditions d3 fabrication- matière - esthétique - prix de revient,etc.) qui perme~ de justifier dans la fanille des solutions dégag~'es pr6cé-demment l~. solution adoptée.

Pour-';erminer,je voüdrais dire que Plon propos dans tout ce qui précède,n'a jamais été de transforner la technologie en physique appliquee ~ar je ne pense pas que la technologie ait la prétention de former ~'espri t aux méthodes de raisonnerüent propres à la physique

j'ai simplEment tenu à faire ressortir l'une des phases de la leçon de technol:gie en classe de 3e phase qui s'insere dans l'analyse di un obj et 8:; même titre que le schema technologique, l'analyse

fonction-nelle ou l~ phase proprement graphique.

C'est (u'en effet la technOlogie COInI:le nous le rappelle H. GIR1AT 6ans le co~pte rendu de llexposit{on de technologie à l' I.P.~.

(B.P.

<:'1 12. 1.67, étant une science de synthèse, la phase physique, represen-t$e ici pa~ 11 évaluation de la sollicitation exercée sur l'objet,n' 82t qu'un :es absolus parmi toutes les relations de l'objet dans son m:lieu d'u~ilisation.Et nous savons que c'est la convergence de ces e.'Jsolus qu:" dans les solutions ador;>tees, nous arJène à des conprorüs

a':)outissan~ à l'objet créé et par là l;1ême contribue à. la réflexion de; l' enfar~t.

Alors quelle est la place de la physique dans la techn01.0g ie

e~ classe 1e 3e?Elle est tout simplement ce que laissait prevoir ce

p~ssage des instructions de mai 196):

"~e programme de technologie de la. classe de 3e s'inti3gre dans celui d9 physique de la même classe,le soutient,l'~toffe,le prolonge et é.onne è. ce programme son esprit expérimental et concret ... "

1e Professeur de Sciences Physiques et de Technnlogie du Centre Régümal de Formation

d~s It'la1tres de C.E.G. 65, avenue de la Forêt-Noire

STRASBOURG Franç-o~fs-HAitS·AJ.ïY

L'" exp«J>sé ci-dessus a été présenté au cours dt une réunion du Comité de Technolbgie du Bas-Rhin dans le

courant de l'année 1968.

Nous l'avons publié malgré les perspectives de changee ment de programme en pensant qu'il conservait tout son

intérêt.