Les activités à caractère expérimental en Sciences de I ’Ingénieur

10/04/2018
Publication 3EI 3EI 2018-92
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-92:22774
DOI :
contenu protégé  Document accessible sous conditions - vous devez vous connecter ou vous enregistrer pour accéder à ou acquérir ce document.
- Accès libre pour les ayants-droit
 

Résumé

Les activités à caractère expérimental en Sciences de I ’Ingénieur

Métriques

7
0
795.18 Ko
 application/pdf
bitcache://177ebf76cadbbfbdd6821f1d403bda3a81d95d5f

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1044:2018-92/22774</identifier><creators><creator><creatorName>MAUBORGNE PIERRE</creatorName></creator><creator><creatorName>ALLIER PIERRE-ERIC</creatorName></creator><creator><creatorName>GERGADIER SEBASTIEN</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>Les activités à caractère expérimental en Sciences de I ’Ingénieur</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2018</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Tue 10 Apr 2018</date>
	    <date dateType="Updated">Tue 10 Apr 2018</date>
            <date dateType="Submitted">Tue 22 Jan 2019</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">177ebf76cadbbfbdd6821f1d403bda3a81d95d5f</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>37595</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

10 Les activités à caractère expérimental en Sciences de I ’Ingénieur La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Thème Les activités à caractère expérimental en Sciences de l’Ingénieur MAUBORGNE PIERRE ALLIER PIERRE-ERIC GERGADIER SEBASTIEN Professeurs de Sciences de l’Ingénieur et d’Informatique Lycée Richelieu, Rueil Malmaison Lycée Richelieu, Rueil Malmaison Lycée Chaptal, Paris pierre.mauborgne@upsti.fr allier.tsi@gmail.com sebastien.gergadier@upsti.fr 1. Introduction Comme l’indique l’ONISEP [1] sur les Classes Préparatoires aux Grandes Ecoles - CPGE, « l’emploi du temps est partagé entre cours, TD (travaux dirigés) et, pour les prépas scientifiques, TIPE (travaux d’initiative personnelle encadrés). S’y ajoutent les devoirs sur table et les colles, qui sont des entraînements aux oraux des concours. ». Cette description donne aux lecteurs l’impression d’une filière très théorique sans aucune pratique. À cette description partielle, manque donc une modalité pédagogique fondamentale que sont les travaux pratiques. Présents en Sciences Physiques et en Sciences de l’Ingénieur, ils permettent de développer des compétences spécifiques en se basant sur une pédagogie moins déductive. L’objectif de cet article est donc d’indiquer dans un premier temps les réels besoin et apport des séances de travaux pratiques dans la formation de futurs ingénieurs. Dans un second temps, de définir plusieurs démarches pédagogiques dans le but de développer des compétences spécifiques tout en faisant acquérir des connaissances durant ces travaux pratiques. 2. Constat Le métier d’ingénieur scientifique, aussi différent soit-il en fonction du domaine (transport, énergie, santé, médical, agronomie, aéronautique, écologie, …), consiste notamment en l’analyse du besoin et la vérification de sa pérennité, en l’élaboration d’un cahier des charges et en l’élaboration de modèles et de prototype(s). Ces modèles élaborés doivent nécessairement être validés et cette validation ne peut être menée que par confrontation au réel. Cette dernière nécessite donc la mise en œuvre de compétences expérimentales spécifiques telles que la mise en service d’un système (ou d’un prototype), de compétences liées aux mesurages et à l’analyse des résultats expérimentaux notamment. Il convient donc de former ces futurs ingénieurs à ces différents aspects, en les plaçant en position de résoudre partiellement (seul ou en groupe), une problématique scientifique réelle et concrète repositionnée dans un contexte d’ingénierie. 3. Réponses au constat Avant de présenter différentes modalités pour réaliser des travaux pratiques en CPGE, il est intéressant de présenter les organisations retenues en CPGE scientifiques dans la discipline des Sciences de l’Ingénieur, et notamment les compétences à développer, les volumes horaires et les attendus aux différents concours pour les épreuves orales de travaux pratiques. 3.1. Macro-compétences en Sciences de l’Ingénieur Les référentiels officiels des différentes CPGE sont découpés en macro-compétences telles que décrites sur la figure 1. Le niveau de développement de ces macro-compétences dépend naturellement de la classe concernée (PCSI, MPSI, PTSI, PSI, …). Il s’agit donc des compétences attendues en fin de formation de CPGE, qui s’intègrent dans la formation à Bac+5. Figure 1 : macro-compétences attendues en fin de CPGE (*) Résumé : l’objectif de cet article est d’expliciter les différentes modalités pédagogiques à disposition des enseignants de Sciences de l’Ingénieur pour les séances de travaux pratiques à caractère expérimental en filière scientifique que sont les CPGE. Après avoir rappelé les différents besoins et les attendus concernant ce type d’activités, nous indiquerons dans un premier temps comment celles-ci doivent s’inscrire dans une progression pédagogique globale et annuelle. Ensuite, nous détaillerons plusieurs modalités possibles comme les travaux pratiques en îlots et les projets et nous donnerons des exemples sur quelques cas concrets. À la vue de ces différentes modalités pédagogiques, nous montrerons leurs influences sur l’organisation géographique d’un laboratoire de Sciences de l’Ingénieur. Enfin, nous présenterons comment est menée l’évaluation par compétences lors d’activités à caractère expérimental durant la formation des élèves mais aussi lors des épreuves d’admission des concours aux grandes écoles. 11 Les activités à caractère expérimental en Sciences de I’Ingénieur La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Thème (*) la macro-compétence « Réaliser » n’est présente que dans les programmes des filières PTSI/PT et TSI, alors que « Concevoir » l’est en filières PTSI/PT, TSI et PCSI/PSI. Dans tous les cas, il est possible de s’apercevoir qu’il existe une compétence « Expérimenter » qu’il est impossible d’acquérir sans activités pratiques. De plus, certains savoir et savoir-faire du programme dans d’autres compétences qu’ « Expérimenter » peuvent s’acquérir plus facilement à l’aide de ces travaux pratiques en mettant en œuvre une pédagogie inductive. Nous reviendrons sur ce point dans la section 3 de cet article. 3.2. Dotations horaires Dans les filières où la discipline est assez représentée, en plus des heures de cours et de travaux dirigés, 2 à 3 heures hebdomadaires sont consacrées à des heures de travaux pratiques comme l’expose le tableau ci-dessous. Filière MPSI MP PSI PCSI PC PTSI PT TSI ATS 1ère année 2 au S2 2 2.5 3 3 2ème année 2 2 2.5 3 Tableau 1 : dotation horaire des TP en Sciences de l’Ingénieur dans les filières scientifiques de CPGE [2] Bien que cette filière scientifique soit souvent qualifiée de « théorique », ces heures de travaux pratiques sont utiles pour compléter les connaissances fondamentales apportées en cours comme nous le verrons par la suite. 3.3. Épreuves aux concours Les attendus principaux en CPGE sont la préparation aux concours et à la poursuite d’études dans les Grandes Ecoles. Dans les différents concours que préparent les étudiants de CPGE, des épreuves de travaux pratiques en Sciences de l’Ingénieur sont effectués. Dans cette partie, nous présentons le poids des coefficients de ces épreuves et un exemple d’attendu. 3.3.1. Coefficients Selon le tableau 2, l’épreuve de travaux pratiques compte en moyenne pour 20% des épreuves d’admission. Il convient donc de préparer aux mieux les étudiants à ces épreuves orales. Filière PSI PT TSI CCS 14/100 28/100 20/100 CCP 10/40 10/40 10/40 CCMP 6/41 8/41 5/36 A&M 5/25 4/33 14/50 Tableau 2 : coefficients de l’épreuve orale de TP aux différents concours [3] * (*) Ce tableau ne comporte que les épreuves de travaux pratiques en Sciences de l’Ingénieur. Il ne comprend donc pas les épreuves sous la forme d’une interrogation orale classique du type khôlle (en filières ATS, PT…). Chaque case indique le coefficient de l’épreuve de TP par rapport à la somme des coefficients totaux des oraux. 3.3.2. Exemple d’attendu au concours Centrale- Supelec Au concours Centrale-Supelec, que ce soit en filière PSI ou en TSI, il s’agit d’une épreuve orale de TP d’une durée de 4h. Comme l’indique la notice du concours [3], l’objectif de cette épreuve est d’évaluer la capacité d’un étudiant à « s’inscrire dans une démarche d’ingénieur » en faisant appel au triptyque « Système souhaité » / « Système réel » (pouvant faire appel à un système dans le laboratoire de TP) / « Système simulé » (pouvant faire appel à des modèles de connaissance) [4] tout en réussissant à faire une analyse des écarts de performances entre eux. Figure 2: mise en évidence des écarts de performance De plus, comme toute épreuve orale, cette épreuve permet d’évaluer des capacités de l’élève non évaluables à l’écrit comme ces « capacités de communication, de synthèse, d’autonomie et d’initiative » [3]. Si on se réfère à la notice du concours [3], les compétences attendues et évaluées sont : • analyser la capacité du système industriel instrumenté à représenter le système industriel en usage normal ; • vérifier ou prédire les performances attendues du système industriel définies par son cahier des charges à partir des réponses expérimentales du système instrumenté ; • élaborer des modélisations de tout ou partie du système industriel instrumenté à partir de modèles de connaissance et /ou de ses réponses expérimentales ; • analyser la pertinence des modèles obtenus par comparaison des résultats de simulation et des réponses expérimentales du système industriel instrumenté ; • exploiter le modèle pour prédire une performance du système industriel ou imaginer une évolution de solutions du système industriel ; • analyser la pertinence du(des) modèle(s) à représenter le système industriel en usage normal. 12 Les activités à caractère expérimental en Sciences de I ’Ingénieur La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Thème 3.4. Synthèse 3.4.1. Besoins pour les étudiants Ainsi, étant donné les différents constats, il est donc fondamental d’intégrer des travaux pratiques dans les modalités pédagogiques en Sciences de l’Ingénieur. De plus, vu que certains étudiants n’ont jamais suivi cette discipline au lycée (élèves de S-SVT et de STL), il est important que le développement des compétences spécifiques aux Sciences de l’Ingénieur soit progressif tout au long des deux années de CPGE. 3.4.2. Cahier des charges pour l’enseignant Afin de répondre aux besoins en formation des étudiants, il est donc obligatoire que l’enseignant incorpore dans sa progression pédagogique des travaux pratiques afin de les préparer au mieux à leur futur métier d’ingénieur en mettant en œuvre la démarche de l’ingénieur. Les contraintes de mise en œuvre de travaux pratiques sont nombreuses : aspect temporel, aspect financier, .... Il est donc nécessaire de développer de nouvelles façons de réaliser des travaux pratiques telles que les TP en îlots ou les projets. 4. Des travaux pratiques en lien avec les autres modalités pédagogiques Le cahier des charges nous amène donc à une première règle. Afin d’avoir une bonne assimilation des savoirs et savoir-faire, il est essentiel de bien mettre en lien les travaux pratiques avec les autres modalités pédagogiques (cours, travaux dirigés, …). 4.1. Des travaux pratiques inclus dans la progression pédagogique Un des objectifs de la CPGE est de préparer les étudiants à accéder à une école d’ingénieur et donc au concours correspondant. Cependant, quelle que soit la filière, comme nous l’avons indiqué précédemment dans les exigences, il faut que les attendus en séance de TP soient explicites. Le développement des compétences doit donc être progressif mais la démarche de l’ingénieur peut être mise en place dès les premières séances de travaux pratiques. Celles-ci consistent le plus souvent en la découverte des chaines d’énergie et d’information d’un système pour lequel le ou les modèles sont fournis. Seules les compétences liées à l’expérimentation et à l’analyse des résultats expérimentaux et de simulation (compétence « Analyser ») sont mises en œuvre afin de caractériser les trois écarts. Tout au long de l’année, le niveau d’exigences en TP doit être relevé pour rendre à la fin les élèves plus autonomes dans la prise en main des systèmes, dans la recherche et dans la mise en œuvre d’un protocole expérimental et dans l’élaboration d’un modèle. Vu les connaissances acquises et compétences développées, ils acquièrent alors plus de recul concernant la caractérisation des écarts entre les systèmes réels, simulé et attendu. 4.2. Exemple de séquence pédagogique Afin d’illustrer notre propos, nous avons choisi comme cas d’étude une séquence nommée « Les sources d’énergie – Cas du régime continu » qui est effectuée en première année de CPGE TSI au Lycée Richelieu de Rueil-Malmaison. Elle consiste à étudier la chaine d’énergie d’une alimentation en énergie électrique continue vers un actionneur du type machine à courant continu. Après un rappel des lois électrocinétiques (partie déjà traitée en cours de physique), l’apport des connaissances se fait par la définition d’un signal et de ses caractéristiques. Ensuite, nous faisons le choix de parcourir la chaine d’énergie en nous focalisant sur le cas de l’énergie électrique en régime continu, l’alternatif étant traité dans une autre séquence. Ainsi, nous apportons des connaissances sur les accumulateurs d’énergie électrique (fonction « Alimenter »), les modulateurs d’énergie (fonction « Moduler ») et plus particulièrement les hacheurs et enfin sur la machine à courant continu (fonction « Convertir »). Concernant les hacheurs, le programme de TSI [2] indique qu’« on limite les études aux convertisseurs statiques directs, non isolés. Les convertisseurs statiques au programme sont les hacheurs série, parallèle et 4 quadrants […] » Ainsi, lors des activités de travaux dirigés, ces différentes structures sont traitées et contextualisées sur un système réel. Les points abordés sont liés à leur nécessité sur un système réel, à leur comportement en lien avec un modèle (donc sous condition de validité des hypothèses) et à leurs performances réelles. Pour cela, nous avons souhaité aborder également ces cas en travaux pratiques et valider ou non les modèles vus en cours et en TD. Les élèves vont ainsi découvrir qu’il n’y a pas que ce type de hacheur et que les modèles sont corrects sous l’hypothèse de conduction continue. De plus, même dans le cas du hacheur série ou parallèle, cela permet de montrer que les courbes ne sont pas si « propres » qu’en TD pour diverses raisons évoquées en TP et en cours (validité des hypothèses). De plus, comme cela est évoqué dans le livret d’accompagnement associé au référentiel de CPGE TSI, « on peut illustrer, lors d’activités expérimentales ou de simulation, l’intérêt de la conduction continue dans les convertisseurs statiques afin d’obtenir un comportement linéaire du convertisseur. La mise en évidence d’une conduction discontinue est possible, lors d’activités expérimentales ou de simulation, bien que celle-ci ne soit pas explicitement au programme, mais ne fait pas l’objet de calculs. » La progression de cette séquence pédagogique est représentée dans le tableau 3 ci-dessous. 13 Les activités à caractère expérimental en Sciences de I’Ingénieur La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Thème Tableau 3 : extrait d'une progression pédagogique annuelle Ainsi, comme on l’explicitera dans la partie 5.1, lors des travaux pratiques il sera possible de confronter des résultats issus de protocoles expérimentaux et ceux issus d’une modélisation numérique ou analytique. Cela permettra à l’élève, en complément de l’acquisition des connaissances théoriques, de découvrir qu’il existe d’autres types de hacheur et qu’il faut prendre en compte des hypothèses pour les étudier, d’où la nécessité de choisir un modèle adapté. Par contre, comme nous l’indiquions dans le point précédent, les TP ont été construits afin que les attendus soient différents selon la séance. Pour la première séance de TP de cette séquence pédagogique, il s’agit d’une découverte des outils logiciels et des protocoles expérimentaux. Lors de la dernière séance, préparatoire à une présentation de 10 minutes, les étudiants ont une problématique plus ouverte, proche d’un mini-projet, afin de valider les compétences développées dans la séquence et le réinvestissement des savoirs et savoir- faire. Lors de l’élaboration de la progression pédagogique, nous avons dressé la liste d’un certain nombre de savoirs et savoir-faire mais aussi de compétences à acquérir à la fin de la séquence, ce à quoi aident les activités de travaux pratiques. Outre les activités liées aux macro- compétences « Expérimenter » et « Communiquer » (compétences D1 à D3 & G1 à G3), l’étudiant pourra développer les compétences suivantes : • A3 Appréhender les analyses fonctionnelles et structurelle o L’étudiant pourra relever les différents constituants liés aux différentes fonctions de la chaine d’énergie • A4 Caractériser des écarts o L’étudiant pourra caractériser les écarts entre les modèles vus en cours et les résultats des expérimentations • A5 Apprécier la pertinence et la validité des résultats o L’étudiant pourra valider qu’il n’y pas que les hacheurs série et parallèle mais qu’ils permettent d’avoir un modèle de connaissance valide dans certains cas. • B1 Identifier et caractériser les grandeurs physiques agissant sur un système o À l’aide des différentes mesures sur le système, l’étudiant pourra caractériser quelles grandeurs physiques interviennent sur un système réel. • B2 Proposer un modèle de connaissance et de comportement o Selon les besoins en termes de réversibilité, l’étudiant pourra déterminer le meilleur modèle en lien avec ces connaissances. • C1 Choisir une démarche de résolution • C2 Procéder à la mise en œuvre d’une démarche de résolution analytique • E2 Choisir une solution technologique 5. Modalités pédagogiques pour la réalisation d’une séance de travaux pratiques Vu les différentes contraintes et l’obligation de lier les activités de travaux pratiques aux autres modalités pédagogiques dans une progression, de nouvelles pratiques ont été mises en place ou ont évolué. Dans cet article, nous présenterons deux pratiques que sont les travaux pratiques en îlots et les projets. 5.1. Les travaux pratiques en îlots Après en avoir indiqué le principe général, nous expliciterons comment ceux-ci sont effectués. Nous présenterons ensuite un exemple de TP en îlot. 14 Les activités à caractère expérimental en Sciences de I ’Ingénieur La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Thème 5.1.1. Principe et philosophie Comme l’indique Michael Trovalet [5], la philosophie du TP en îlots consiste à regrouper des activités de TP par compétence (et/ou par sous- système). Ainsi, un groupe d’élèves de TP avec différents profils, abordera des aspects différents mais complémentaires d’un même sujet, basé sur une problématique commune, puis se regroupera pour effectuer une synthèse et analyser les écarts entre les différentes performances. Cette problématique sera liée à la résolution d’un problème scientifique et technique contextualisé. Le premier profil possible est l’expérimentateur. Celui-ci va réaliser des expérimentations sur le système réel. Il devra proposer et réaliser un protocole expérimental spécifique afin de renseigner une loi de comportement pour un autre profil. Il pourra aussi avoir en charge la détermination expérimentale d’un paramètre d’un modèle. Le second profil possible est celui de modélisateur qui peut être distingué en « modélisateur numérique » ou en « modélisateur analytique ». Le modélisateur numérique devra élaborer un modèle afin de répondre à la problématique du TP. Ce modèle pourra être volumique, multi-physique ou un programme informatique sous Python. Cela est intéressant pour décloisonner les disciplines dans l’esprit des étudiants. En effet, ceux-ci peuvent réutiliser ce qu’ils ont vu en IPT (Informatique Pour Tous) lors des TP en Sciences de l’Ingénieur. Le modélisateur analytique aura lui pour tâche de définir un modèle de connaissance en se basant sur les savoirs acquis en cours et en TD. Cela pourra ensuite se traduire par un traitement numérique. L’exemple simple est de définir une loi entrée/sortie d’un système puis de la programmer en Python (ou Matlab, tableur…) afin de pouvoir la représenter. Le troisième profil est le chef de projet. Son objectif est de coordonner les tâches de chacun des membres du groupe pour piloter l’avancement et organiser les échanges entre îlots. Il doit également préparer un document de synthèse du TP avec l’analyse des écarts entre les différents résultats obtenus par les autres profils. Bien entendu, selon la séquence, la durée du TP, le nombre d’élèves et de systèmes, plusieurs élèves peuvent avoir le même profil (travail par binôme) ou un élève peut avoir plusieurs profils selon le déroulé du TP. Chaque élève sera à tour de rôle expérimentateur, modélisateur numérique ou analytique et chef de groupe durant sa formation en CPGE. 5.1.2. Autres alternatives pour les travaux pratiques en îlots Dans certains cas, il se peut que l’organisation « Expérimentateur/Modélisateur » ne soit pas la plus adéquate. Voici alors quelles sont les autres possibilités de travaux pratiques en îlots. La première d’entre elles consiste à travailler sur plusieurs systèmes ayant le même cahier des charges mais avec des solutions constructives différentes. Un exemple simple est celui d’une barrière autorisant ou non l’accès à un parking. Dans les systèmes existants traditionnellement dans les laboratoires de Sciences de l’Ingénieur, les barrières « Sympact » et « Decma » respectent un cahier des charges similaire tout en ayant une chaine de transmission différente. Un autre exemple concerne une machine d’impression 3D. Afin d’obtenir un résultat similaire, plusieurs structures existent avec des chaines cinématiques différentes : les imprimantes cartésiennes, les imprimantes à structure « Delta » voire celles avec un bras robotisé. Une seconde alternative consiste en la résolution d’une même problématique mais sur des systèmes similaires afin de déterminer les écarts possibles. Par exemple, si l’on considère une imprimante 3D à structure « Delta », celle-ci peut être comparée au robot haptique. Ces deux systèmes ont une structure similaire (structure Delta) et une problématique proche (positionnement d’un point en bout d’effecteur). Cependant, alors que ce positionnement se fait par trois glissières sur une imprimante 3D cartésienne, il est réalisé par trois liaisons pivot sur le robot haptique. La dernière alternative présentée dans cet article consiste en l’étude de différentes technologies pour un même système afin de vérifier un cahier des charges, ce que nous expliciterons juste ensuite avec l’exemple de la station météo. 5.1.3. Trois exemples de TP en îlots Robot haptique – cinématique et codeur incrémental Ce TP sur le robot haptique est décomposé en plusieurs sous-parties permettant de constituer des îlots : • Expérimentations sur le système réel : o Définition de l’espace atteignable o Définition de la loi entrée/sortie géométrique ; o Détermination de la résolution du codeur incrémental ; • Modélisation numérique : o Détermination de la loi entrée/sortie par un modeleur volumique ; o Vérification de la chaine d’énergie globale par un modèle multi-physique ; Figure 3: vue interne du codeur incrémental sur le robot haptique Nous avons trouvé intéressant dans ce TP de lier une partie cinématique avec la détermination de la résolution du codeur incrémental. En plus de parcourir les chaines d’énergie et d’information du système, il permet d’avoir un regard critique sur la mesure effectuée. 15 Les activités à caractère expérimental en Sciences de I’Ingénieur La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Thème Figure 4: vue de l'interface de test du robot haptique Comme il est possible de le voir sur la figure 4, avec l’interface de test du système ci-dessus, les élèves vont pouvoir déterminer la résolution du codeur incrémental (partie située en bas à gauche) par une simple manipulation. De plus, à l’aide du « homing », il sera possible de questionner les étudiants sur la notion de codeur absolu ou relatif étant donné que cette fonction permet de déterminer le « zéro machine » de chaque codeur. Afin d’y donner du sens, et en vue de répondre à la problématique, cette étude est contextualisée à une opération à distance (mouvement du robot en cas de coupure d’énergie électrique et risque de désynchronisation ou décalage entre les deux robots). Télescope SET – Variation de vitesse des deux axes Dans le cadre de la séquence indiquée du tableau 3, et en lien avec la séquence précédente sur la transmission du mouvement, nous avons réalisé un TP sur le télescope SET. La problématique consiste ici à analyser les solutions constructives permettant de faire varier la vitesse de rotation des deux axes (azimut et élévation) du télescope. Après une analyse systémique permettant de bien définir les différents constituants de ce télescope, le TP se décompose en trois parties comportant chacune à la fois des activités expérimentales et des activités de modélisation numérique. La première partie s’intéresse à la solution de variation de vitesse située en amont du moteur (hacheur). A l’aide de l’outil Matlab, l’étudiant pilote le hacheur du télescope reproduit sur une carte annexe et relève l’allure du signal de sortie. Puis, après avoir déterminé les besoins en terme de réversibilité énergétique, le sujet le conduira à faire un choix de structure de hacheur étant données ses connaissances des différents modèles envisageables. A l’aide d’un modèle multi-physique, l’étudiant va alors modéliser un hacheur série puis lancer une première simulation pour déterminer les écarts avec les mesures expérimentales. Le même type d’activité est réalisé pour modéliser et caractériser le moteur à courant continu utilisé pour générer le mouvement de rotation des deux axes. La seconde et la troisième partie sont équivalentes et traitent de la transmission de mouvement de chaque axe à la suite des deux machines à courant continu (tube optique par rapport à fourche et fourche par rapport à l’embase). Ces deux TP ont un déroulé équivalent, seul l’ordre des tâches est modifié pour l’accès au système. La première sous-activité consiste à effectuer les mesures expérimentales pour trois vitesses de rotation des axes afin de déterminer une première valeur de rapport de réduction de la chaine de transmission. L’utilisation d’un modèle volumique et son analyse numérique permettra également de déterminer le rapport de réduction. Notons qu’il est également possible d’utiliser une méthode analytique en se basant sur le nombre de dents de chacune des roues. La synthèse globale de ce TP conduira l’élève à déterminer l’intérêt du hacheur et de la chaine de transmission dans le réglage de la vitesse des axes de ce système. Il permet ainsi de reboucler sur la chaine d’énergie définie en introduction et de traiter la problématique. Station météo – Choix d’un capteur de température Dans le cadre d’une séquence sur la transmission de l’information, nous avons mis en place un TP basé sur une station météo. Si l’on se réfère au livret d’accompagnement associé au référentiel de la CPGE TSI [6], il est indiqué que « les points communs fondamentaux de réseaux industriels sont mis en évidence au travers d'exemples de réseaux existants I2C, SPI, CAN, LIN, TCP/IP, Ethernet, Modbus, (support physique, trame)». Aussi, nous avons fait le choix de réaliser un TP en îlots permettant de montrer les nuances entre différentes technologies pour la même fonction. Cette station météo comporte un capteur de température. Nous avons donc sélectionné deux capteurs différents de température qui peuvent échanger de l’information avec une carte Arduino via des protocoles différents. Ainsi, le premier groupe travaille sur la problématique de l’échange de données de température entre le capteur de température et la carte Arduino par un bus I2C tandis que le second groupe travaille avec un capteur échangeant sur un bus SPI. A l’aide d’oscilloscopes numériques récents, il est possible de procéder à un premier décodage des trames. Figure 5: trames d'un capteur de température par un bus I2C 16 Les activités à caractère expérimental en Sciences de I ’Ingénieur La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Thème Figure 6: trames d'un capteur de température par un bus SPI Comme on peut le voir sur la figure 5, les élèves peuvent visualiser l’échange de données avec les champs d’adresse, le sens de l’envoi et les données. De plus, ils peuvent comprendre la notion d’horloge transmise. De même, en observant les trames comme celles présentées sur la figure 6, les élèves peuvent identifier les différents canaux d’une transmission par bus SPI (MISO, MOSI, choix de l’esclave et horloge). La partie finale commune de l’activité consiste alors à dégager les points communs et les différences entre les deux supports. Cela est très instructif pour des élèves qui ont du mal à faire l’abstraction d’un échange de données. Ainsi, ils peuvent visualiser cet échange de données et déterminer alors la meilleure solution pour le contexte et des éléments du cahier des charges donnés. 5.2. Les projets comme modalités pédagogiques Le projet est aussi une modalité pédagogique permettant de développer des compétences expérimentales et peut être mise en place dans une filière scientifique telle que la CPGE. Ce type de pédagogie permet un travail collectif proche de celui que pratiqueront nos futurs ingénieurs, selon la démarche de l’ingénieur. Les compétences développées sont identiques à celles mobilisées lors d’une séance de travaux pratiques classique, mais elles sont mises en œuvre par les élèves eux-mêmes qui deviennent donc acteur de leur formation. Cette modalité pédagogique d’apprentissage par projet est mise en œuvre dans de nombreuses classes préparatoires et notamment au Lycée Chaptal, à Paris, dans les classes de première année PCSI et ce, à partir du second semestre (futurs élèves de la filière PSI) sur une durée de 30 heures. Les thèmes des projets proposés aux élèves regroupés par 5 sont : • mise en œuvre d’une imprimante 3D avec motorisation à courant continu ou pas-à-pas [7]; • numérisation d’un livre par la réalisation d’un scanner-book [8] ; • robot hexapode (du type fourmi). Ces projets mobilisent par définition l’ensemble des macro-compétences des programmes officiels de Sciences de l’Ingénieur mais mobilisent aussi des compétences transverses liées aux humanités, à la communication et aussi à l’enseignement de l’Informatique pour Tous. Ces projets doivent être clairement définis à leur lancement par l’enseignant et nécessite un suivi régulier. L’enseignement selon cette modalité pédagogique consiste principalement à prodiguer du conseil et à accompagner chaque groupe. Les élèves mettent en œuvre leur propre démarche de résolution de problème et leurs solutions technologiques. Les attendus, c’est-à- dire la production attendue finale, doivent cependant être spécifiés préalablement. Très généralement des sous-groupes se forment dans ces groupes de projet en font alors apparaître des membres modélisateurs, d’autres expérimentateurs ainsi qu’un chef de projet. Du fait du choix des supports de projet par les enseignants, le lien se fait logiquement avec l’enseignement d’Informatique pour Tous. Quel que soit le projet choisi par les élèves, la création et la simulation de modèles sont nécessaires. À titre d’exemples : • pour le projet sur l’imprimante 3D : obtention des lois d’entrées-sorties, leur linéarisation et la génération des coordonnées cartésiennes de la tête d’impression pour décrire un cercle ; • pour le projet sur le scanner-book, avec une carte électronique du type Raspberry-Pi : prise d’images et traitement associé pour la reconnaissance des caractères ; • pour le projet sur le robot hexapode : obtention de la loi entrée-sortie directe et son inversion pour l’obtention de la loi entrée-sortie inverse, optimisation des trajectoires des extrémités des pattes. Les cartes de traitement des données et des informations utilisées pour ces projets sont des cartes Arduino Mega ou Raspberry-Pi, programmées depuis une interface graphique telle que la propose le logiciel Matlab-Simulink. Cette prise en main des cartes de traitement et de l’interface de programmation est réalisée préalablement lors de deux séances d’une heure chacune. Cette modalité permet aussi de développer chez l’élève une compétence importante (non présente dans les programmes officiels de CPGE) qui est « imaginer des solutions » et d’initier à l’esprit d’initiative et à l’innovation. 5.3. Organisation classique du laboratoire de Sciences de l’Ingénieur Les modalités pédagogiques énoncées précédemment ont une influence sur l’organisation du laboratoire de Sciences de l’Ingénieur où ont lieu ces activités à caractère expérimental. 5.3.1. Influence des TP en îlots Nous faisons tout d’abord le constat qu’il n’est pas tout le temps possible de travailler dans le laboratoire idéal étant données les contraintes financières et d’espace. 17 Les activités à caractère expérimental en Sciences de I’Ingénieur La Revue 3EI n°92 Avril 2018 Thème Ensuite, il faut ici noter qu’afin de faciliter le déroulement d’un TP en îlots, il est préférable de placer plusieurs postes informatiques proches les uns des autres. Cela facilite les échanges entre élèves afin de préparer la synthèse et gérer les étapes où les profils modélisation et expérimentation ont besoin d’échanger. 5.3.2. Exemple de laboratoire de Sciences de l’Ingénieur au Lycée Richelieu Afin d’illustrer notre propos, nous avons souhaité prendre pour exemple le laboratoire de Sciences de l’Ingénieur du Lycée Richelieu – Rueil Malmaison – puisque nous enseignons (ou avons enseigné) dans cet établissement. Figure 7: laboratoire de Sciences de l’Ingénieur du Lycée Richelieu – Rueil Malmaison Comme on peut le voir sur la figure 7, le laboratoire de Sciences de l’Ingénieur a été récemment rénové pour permettre à l’équipe enseignante et au DDFPT de proposer aux élèves une salle propice aux TP en îlots. L’organisation choisie (emplacements des tables et des différents postes informatiques) permet de constituer jusqu’à 7 îlots. 6. L’évaluation lors des travaux pratiques en CPGE Comme avec toute autre modalité pédagogique, il est nécessaire de réaliser des évaluations (formative ou sommative). 6.1. L’évaluation par compétences au cours des années de CPGE Comme indiqué dans la section en lien avec la progression pédagogique, cette évaluation évolue au cours du temps. En début de première année, afin de ne pas pénaliser les étudiants ayant fait un bac S-SVT ou STL, les compétences transverses évaluées sont peu importantes mais il faut tout de même sensibiliser les étudiants sur le niveau d’exigence de la formation. Plusieurs compétences peuvent alors être évaluées en lien avec la macro-compétence « Analyser » (« repérer sur un système les constituants liés aux chaines d’énergie et d’information » et « analyses des écarts de performances ») et la macro-compétence « Communiquer » suite aux premières présentations des synthèses. Cela va ensuite s’accentuer au cours de l’année afin d’atteindre le niveau d’exigence demandé dans les programmes officiels et donc attendus aux concours (partie 3.3.2). 7. Conclusion Etant donné les besoins énoncés dans le cadre des référentiels et des épreuves orales de concours, les enseignants de CPGE doivent intégrer des séances à caractère expérimental à leurs progressions pédagogiques. Cela permet de mettre en œuvre de nouvelles modalités pédagogiques telles que les TP en îlots et les projets. Nous avons présenté dans cet article plusieurs types de TP en îlots et exemples et avons enfin insisté sur l’intérêt de l’évaluation de ces TP dans la formation des étudiants. 8. Bibliographie [1] ONISEP, «Les études en classes préparatoires,» 6 novembre 2017. [En ligne]. Available: http://www.onisep.fr/Choisir-mes-etudes/Apres-le- bac/Organisation-des-etudes-superieures/Les- classes-preparatoires-aux-grandes-ecoles- CPGE/Les-etudes-en-classes-preparatoires. [2] Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, «Programme des différentes CPGE». [3] Concours Centrale-Supélec, Concours Communs Polytechniques, Banque PT, Concours Commun Mines Ponts, «Notices des concours,» 2017/2018. [4] P. Fichou, E. Garnier, N. Perrot et V. Riboteau, «La didactique des sciences de l'ingénieur,» Technologie 186, pp. 34-44, 2013. [5] M. Trovalet, V. Berrou, Q. Dubost et C. Heyberger, «Exemple de série de TP en îlots (RDM),» Séminaire Sciences Industrielles de l'Ingénieur, 2017. [6] Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, «Livret d'accompagnement du programme - Repères pour la formation CPGE TSI Sciences Industrielles de l'Ingénieur,» 2013. [7] M. Derumaux, F. Hospital, G. Moissard et P. Serrier, «Pédagogie par projet en classes préparatoires scientifiques,» Eduscol STI, 2014. [8] Ishikawa Watanabe Laboratory, «BFS-Auto: High Speed Book Scanner at over 250 pages/min,» 2012. [En ligne]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=03ccxwNssmo.