QUELS MOTS, QUELLES IMAGES, QUELS OBJETS POUR
ENSEIGNER LE MONDE INVISIBLE DE LA
NANOTECHNOLOGIE ?
Olivier MERCIER*, Martin VONLANTHEN**, Hossein KARDAN*** Maria BENVENUTI, Michel CARRARD****,
*SF Sciences et Formation, Gryon, **Institut suisse de pédagogie pour la formation professionnelle, Zollikofen, ***École technique du Locle, ****École technique et des métiers de Lausanne (Suisse)
MOTS-CLÉS : NANOTECHNOLOGIE – NOUVELLE FRONTIÈRE – ÉVALUATION DES SÉQUENCES D’ENSEIGNEMENT
RÉSUMÉ : Depuis quelques années, le domaine de recherche nanotechnologie est en pleine ébullition. Des sommes importantes sont investies par les pays industriels et émergents. Il est donc pertinent d’introduire ce sujet dans l’enseignement. Mais comment procéder ? Notre analyse est basée sur une analyse scientifique des séquences d’enseignement, développées ces 2 dernières années dans le cadre du projet Nano-4-schools.
ABSTRACT : Since a few years, the research field nanotechnology is very hot. Billions of dollars or Euros are invested in this area by industrial and emergent countries. Therefore it is relevant to introduce this subject to teenagers. However, how to proceed? We describe the choice of didactic models, based on a scientific evaluation of teaching units which were developed these 2 last years
1. INTRODUCTION
Depuis quelques années, le domaine de recherche
nanotechnologie est en pleine ébullition. Des milliards
de dollars ou d’euros y sont investis par les pays industriels et émergeants. Il est par conséquent pertinent d’introduire ce sujet dans l’enseignement post-obligatoire, ou même obligatoire. Mais comment procéder ? Avec quels mots, quelles images, quels objets pour ce monde invisible, dernières frontières des chercheurs et des industriels.
Si on doit enseigner les objets plus petits, tels que les atomes et les molécules, la didactique, les mots, les objets sont bien établis. Il en est de même pour le domaine plus grand que ceux de la nanotechnologie, du microscopique au macroscopique. La nanotechnologie comprend les structures produite par l’homme, de taille comprise entre quelques centaines d’atomes de taille inférieure à quelques centaines de nanomètres (Fig. 1). On distingue les structures Top-Down, obtenues par miniaturisation (composant électroniques, médicaments, etc.) et les structures Bottom-Up, obtenues par assemblages contrôlés d’atomes ou molécules.
L’enseignement du monde de la nanotechnologie, à la frontière entre le monde classique et le monde quantique est à défricher. La nanotechnologie, c’est aussi la fusion entre les sciences classiques physique du solide, chimie et biologie (Fig. 2).
Et la nanotechnologie, c’est couper un cheveu en 60'000 (Fig. 3) ; mais aussi, les produits, qui envahissent déjà les grandes surfaces (Fig. 4)
Figure 1
Figure 2
Figure 3
C’est pourquoi, le centre des technologies et de l’innovation de la Confédération Suisse a financé une étude dont les buts étaient d’évaluer la faisabilité d’introduire l’enseignement de la nanotechnologie aux jeunes adultes en formation professionnelle.
2. RÉSULTATS
Les séquences d’enseignement ont été développées par les didacticiens des sciences de l’institut suisse de pédagogie (O. Mercier pour le français et M. Vonlanthen pour l’allemand) et ont été utilisées par différents enseignants dans leurs classes. Plusieurs centaines d’étudiants ont ainsi reçu des informations pertinentes sur le domaine de la nanotechnologie. À la fin de la séquence d’enseignement, qui durait de 4 à 16 périodes selon les cas, les étudiants remplissaient un questionnaire d’évaluation sur les connaissances acquises, sur l’intérêt de cet apprentissage, sur sa pertinence et sur sa qualité didactique. Ces questionnaires ont été évalués par une spécialiste des sciences de l’éducation. Les résultats de cette recherche ont été publiés en allemand et seront traduits prochainement en français.(Marianne Rupf et al.). Tous les résultats n’étant pas encore à disposition lors des conférences de Chamonix et le thème de la conférence étant donné, je me limiterai dans cet article à la description de certaines séquences d’enseignement, des mots, des images et des objets didactiques utilisés. Contrairement aux craintes exprimées a priori par beaucoup d’enseignants, les étudiants n’ont pas eu de problèmes particuliers à aborder le sujet et à effectuer des mesures dans le domaine nanométrique. Au contraire, ils ont pris beaucoup de plaisir. Les figures 5 à 7 montrent des jeunes apprentis mesurant des structures nanométriques et des expériences mettant en évidence des effets macroscopiques de structures nanométriques. Cela démontre que, ce que j’ai pu constater à d’autres occasions, il est souvent plus facile d’aborder des sujets complètement nouveaux, pour lesquels ils n’existent pas encore d’obstacles cognitifs que des sujets où les connaissances reposent sur des modèles archaïques.
Les résultats de l’évaluation ont montré que deux éléments étaient importants pour intéresser les jeunes au sujet et pour faciliter la compréhension des relations entre les propriétés nanométriques des structures et les propriétés macroscopiques des composants, élaborés à partir des structures nanométriques. :
• De bien expliquer le lien entre les structures nanométriques et les propriétés macroscopiques sur des objets de tous les jours
• De pouvoir observer par eux-mêmes les structures nanométriques par un instrument relativement simple.
Pour l’observation, un microscope à effet de force (MAF) (Fig. 8 et 9), microscope proche du microscope à effet tunnel, développé par H. Rohrer et G. Binnig, a été utilisé avec succès
Figures 8 & 9 Le choix des objets de tous les jours s’est porté sur :
• Les CD et les DVD, dont la structure nanométrique est bien observable avec le MAF. Les images 3D obtenues peuvent être utilisées pour déterminer la longueur d’onde du laser et pour calculer assez exactement la densité d’information du disque (700, 2000 Mbytes par exemple). Les figures 10 à 21 expliquent schématiquement la séquence d’enseignement et les résultats des étudiants (classes de M. Benvenuti).
Figures 13 à 21 : séquence d’enseignement
• Les cellules solaires du type « Graetzel », dont la structure nanométrique des surfaces permet d’expliquer leur fonctionnement (classes de M. Carrard). Les figures 22 à 28 expliquent la séquence.
Figures 25 à 28 : séquence d’enseignement
• Les surfaces non salissantes (tissus, vitres, laques,..), sur laquelle les gouttes d’eau roulent, car elles ne peuvent pas s’étaler, ceci étant du à la structure hydrophobe rugueuse dans la dimension nanométrique (fig. 29 et 30) ont été utilisés à d’autres occasions.
Figures 29 & 30
• Les aspects chatoyants (fil, laque, revêtement dentaire), produits par des structures de quelques centaines de nanomètres, comme sur les ailes de papillon (Fig. 31 et 32)
Figures 31 & 32 • Les billes de latex de diamètre entre 50 et 200 nm, utilisées pour
la fabrication des médicaments (fig. 33)
• Les bactéries et les virus trouvés dans les sécrétions humaines ou ailleurs (fig. 34).
Figure 34
• Les cales de rugosité, les verres de lunette, la pelure d’une pomme (fig. 34) ou les ailes d’une mouche (fig.35)
Figure 35
Tous ces objets ont été utilisés avec succès dans l’enseignement et les apprenants ont bien compris le message transmis.
Malheureusement, l’emploi d’un MAF est relativement onéreux et pas toujours simple à mettre en œuvre pour un enseignant. C’est pourquoi, dans une deuxième étape, nous avons commencé à fabriquer des modèles didactiques directement utilisables par les apprenants pour faire des mesures.
Objet macroscopique
Mesure avecle microscope à
effet de force (AFM) Résultat de mesure
Exploitation des données de mesure et modélisation 3D de
l’empreinte
Fabrication de l’empreinte (6 pièces) par usinage au
moyen d’une machine 5 La matrice
Fabrication des moules
Ces modèles, grossissant les surfaces nanométriques d’un facteur d’environ 50'000, sont usinées par une machine à commande numérique, directement à partir de données du MAF et d’un logiciel de mise en forme. A partir de l’original, une matrice est créée, qui est utilisée pour faire un moule, dans lequel les modèles didactiques sont créés en série. Ce travail a entièrement réalisé à l’école technique du Locle, par les élèves sous la conduite de H. Kardan (Fig. 37 et 38)
Nous sommes persuadés que ces modèles 3-dimensions, nouveaux objets didactiques, seront d’une grande utilité pour l’enseignement de la nanotechnologie dans les écoles.
Mesurer
Mesure sur le modèle 3D Modèle 3D
Comprendre
Grossissement de 10’000 x d’une surface 6.2 µm x 6.2 µm
Résultat de mesure du DVD Master Figure 38 : Utilisation du modèle didactique
3. CONCLUSION
Nous avons montré par ce travail que pour faire comprendre aux élèves un monde inaccessible à nos sens, le monde de la nanotechnologie, il faut utiliser des objets et des mots de tous les jours, tout en restant rigoureux. Pour cela, des séquences d’enseignement et des objets didactiques ont été développés et testés dans des classes d’adolescents par plusieurs professeurs de lycée. Les résultats de l’enseignement ont été évalués par questionnaires par une spécialiste de l’éducation afin d’avoir des résultats fondés.
BIBLIOGRAPHIE
M. RUPF et al., Nanotechnologie in der Berufsbildung NANO-4-Schools, Eine Projektbilanz, SIBP Schriftenreihe Nr 30, PF 637, CH – 3052 Zollikofen
Remerciements : ce travail a été effectué à l’institut suisse de pédagogie (ISPFP), en collaboration avec le département de pédagogie de l’Université de Berne et avec le soutien du conseil des EPF et du CTI (TOP NANO 21), numéro de projet 6370.1 TNS-NM
