SAVOIRS ET SAVOIR-FAIRE ASSOCIÉS
À L'UTILISATION
D'INSTRUMENTS INFORMATISÉS DANS DES ACTIVITÉS
DE TRAVAUX PRATIQUES DE PHYSIQUE
De la saisie de données à la résolution d'équations différentielles, de nouveaux savoirs et savoir-faire sont en jeu, qu'il s'agisse de ceux relatifs à l'objet "ordinateur" et son environnement, que ceux relatifs à de nouvelles méthodes (traitement statistique, optimisation de modèles, etc.).
Une liste des savoirs et savoir-faire
Il convient donc d'en faire une liste explicite qui permette alors de différencier ceux qui sont généraux de ceux qui sont spécifiques à un usage scientifique. Nous donnons ci-dessous un extrait de la liste que nous avons ainsi élaborée permettant de distinquer savoirs et savoir-faire et, dans cette seconde catégorie, ce que nous avons appelé "savoir-utiliser" et "savoir mettre en œuvre".
Savoir-faire généraux relatifs à l'utilisation d'un ordinateur et d'un logiciel
- savoir entrer un nombre, une lettre, un mot alphanumérique dans une zone… ;
- savoir se déplacer dans un menu de commandes, valider une commande ;
Savoir-faire relatifs à la manipulation des dispositifs techniques
- savoir faire la connexion sur une voie d'entrée d'une interface.
Savoir-faire relatifs à l'exploitation de fonctionnalités logicielles (scientifiques)
- savoir entrer une expression définie par une fonction mathématique ;
- savoir utiliser une procédure/commande d'optimisation de modèle.
Savoir-faire relatifs à la mise en œuvre de méthodes et/ou de moyens (scientifiques)
- savoir déterminer les paramètres d'une acquisition automatique en fonction du phénomène étudié ;
- savoir mettre en œuvre une méthode d'optimisation de modèle sur un ensemble de données pour déterminer des paramètres.
Savoirs généraux relatifs à l'utilisation d'un ordinateur et d'un logiciel
- connaître des termes de vocabulaire général tels que : valider, fichier, menu, etc. ;
- connaître l'existence de paramétrages de représentation graphique ;
Savoirs relatifs à l'exploitation de fonctionnalités logicielles (scientifiques)
- connaître la commande logicielle de paramétrage d'une acquisition de mesures ;
- connaître la commande logicielle d'un traitement spécifique ;
Savoirs relatifs à la mise en œuvre de méthodes et/ou de moyens (scientifiques)
- connaître le rôle d'une interface en tant que convertisseur analogique ;
- connaître le principe d'une méthode de moindres carrés ;
- connaître les conditions d'utilisation d'une méthode de moindres carrés.
Des savoirs et savoir-faire "informatiques" à acquérir : une
structure pluridisciplinaire
La mise à plat de tous les savoirs et savoir-faire "informatiques" mis en jeu dans les activités de travaux pratiques soulève immédiatement la question de l'appartenance de ces savoirs à telle ou telle discipline d'enseignement. De plus, dans l'hypothèse où l'on aurait confié à d'autres disciplines l'enseignement de savoirs et savoir-faire de base requis pour une utilisation minimale des instruments informatisés, comment les sciences physiques prennent-elles en charge ce qui leur resterait dévolu ?
Nous proposons ici une structuration des savoirs et savoir-faire qui fait apparaître d'une part ce qui peut/doit être considéré comme requis pour une utilisation en classe de sciences des lycées, et d'autre part, ce qui peut/doit être considéré comme des savoirs et savoir-faire exigibles à l'issue d'une formation scientifique.
Un certain nombre de savoirs et de savoir-faire apparaissent comme devant être considérés comme requis car, en l'absence de ceux-ci, la conduite d'une activité scientifique est illusoire : les informations à donner alors ramènent la tâche des élèves à un suivi de consignes "surdétaillées" et uniquement techniques, effaçant du même coup la compréhension du dispositif expérimental, de la démarche, du phénomène et donc de la physique...
Nous distinguons des prérequis de niveau 1 et 2. Les premiers, à l'instar de "savoir calculer et utiliser une calculette", sont à faire acquérir aux élèves au plus tôt et dans d'autres enseignements que la physique : savoir lancer un logiciel spécifié, savoir entrer un nombre, charger un fichier, renseigner une zone de saisie multiple, etc. Les seconds sont ceux qui concernent les logiciels utilisés en classe de science et sont donc utiles pour conduire à bien les activités scientifiques, mais dont l'acquisition, à l'évidence, ne peut pas être considérée comme indispensable : connaître la commande de paramétrage d'une acquisition de mesures, savoir obtenir une courbe à partir de l'expression mathématique d'une fonction, etc..
Il reste alors de nombreux savoirs et savoir-faire qui relèvent alors d'un enseignement de sciences physiques. Parmi ceux-ci, bien évidemment, on trouve :
- savoir reconnaître les différents éléments d'une chaîne de mesure informatisée ;
- savoir conduire/contrôler une acquisition semi-automatique ;
- savoir déterminer la précision de la mesure pour une quantification donnée ;
- savoir mettre en œuvre une méthode d'optimisation de modèle sur un ensemble de données pour déterminer des paramètres ;
- connaître le rôle d'une interface (convertisseur analogique numérique) : savoir que les mesures sont faites par échantillonnage et que les mesures sont quantifiées ;
- connaître le principe de la "dérivation numérique" ;
- connaître les conditions d'utilisation d'une méthode de moindres carrés (non pondérée, en particulier la régression linéaire) ;
Des
connaissances et compétences "exigibles" ?
À la suite d'expérimentations auprès d'élèves de Première S et Terminale S, nous avons été amenés à limiter et hiérarchiser ces compétences en deux sous-niveaux : le premier contient les connaissances à évaluer en cours de formation, le second, celles que nous considérons importantes au point d'en faire des critères d'exigibilité dans l'hypothèse d'une évaluation sommative en fin de cycle terminal.
Ainsi notamment, à l'instar de savoir faire les branchements avec un multimètre ou faire un goutte à goutte en pH-métrie, nous considérons qu'un élève sortant de Terminale S devrait savoir :
- faire la connexion sur une voie d'entrée spécifiée d'une interface,
- paramétrer une acquisition automatique ou semi-automatique.
- conduire/contrôler une acquisition semi-automatique (déclenchement, validation clavier, entrée de valeurs au clavier, etc.).
Pour ce qui concerne les méthodes de traitement, il semble raisonnable d'attendre d'un élèves sortant de Terminale scientifique qu'il :
- sache utiliser une procédure / commande d'optimisation de modèle
- connaisse les conditions d'utilisation d'une méthode de moindres carrés
- connaisse le principe de la dérivation numérique.
La question de "l'évaluabilité"
Prendre en charge l'enseignement de ces connaissances ou compétences, nécessite aussi d'être capable d'en évaluer l'acquisition par les élèves.
Une telle évaluation peut être envisagée sous forme de sujets conçus en deux parties fortement corrélées mais devant être traitées en deux temps séparés : une partie papier-crayon pour l'évaluation des savoirs, et une partie sur "paillasse" pour celle des savoir-faire correspondants.
Nos expérimentations permettent de conforter l'idée d'une bonne maîtrise globale de l’outil informatique (aisance dans la manipulation du clavier, familiarité avec les commandes logicielles, etc), mais nous amène à attirer l'attention sur la nécessité de construire un enseignement qui assurer la compréhension des méthodes informatiques, sur des points tels que : la modélisation et les "valeurs initiales" ou la transcription des affichages en " notation satisfaisante pour le physicien ".
Liste hiérarchisée complète des savoirs et savoir-faire
Pré-requis |
À acquérir en physique-chimie |
||
Niveau 1 |
Niveau 2 |
Évaluation en formation |
Évaluation sommative |
| Connaître des termes de
vocabulaire général... Connaître des termes de vocabulaire spécifique... Connaître l'existence de paramétrages de représentation graphique... ; |
Connaître la (les) commande(s)
logicielle(s) de paramétrage d'une acquisition de mesures ; Connaître la (les) commande(s) logicielle(s) de lancement/exécution d'une acquisition ; Connaître la (les) commande(s) logicielle(s) permettant le calcul et la représentation d'un tableau de valeurs ; Connaître la (les) commande(s) logicielle(s) d'obtention/configuration de représentation graphique ; Connaître la (les) commande(s) logicielle(s) de tracé de courbes mathématiques (par fonction ou équation) ; Connaître la (les) commande(s) logicielle(s) permettant l'optimisation de modèle ; Connaître la (les) commande(s) logicielle(s) d'une fonctionnalité ou d'un traitement spécifique ; Connaître la (les) commande(s) logicielle(s) de paramétrage et exécution d'une résolution numérique d'équation différentielle. |
Connaître le rôle d'une
interface en tant que convertisseur analogique numérique : savoir que les mesures
sont faites par échantillonnage dans le temps et que les valeurs mesurées sont
quantifiées (paliers de valeurs) ; Connaître le principe d'une méthode de moindres carrés (non pondérée, telle la régression linéaire) ; Connaître le principe de résolution numérique d'une équation différentielle du premier ordre (calcul approché par accroissement fini). |
Connaître l'existence de
paramétrages d'acquisition : durée, intervalle de temps, nombre de points, mode de
déclenchement ; Connaître le principe de la "dérivation numérique" ; Connaître les conditions d'utilisation d'une méthode de moindres carrés (non pondérée, en particulier la régression linéaire) ; |
| Pré-requis | À acquérir en physique-chimie |
||
Niveau 1 |
Niveau 2 |
Évaluation en formation |
Évaluation sommative |
| Savoir mettre en route
l'ordinateur, l'imprimante, ... ; Savoir lancer/quitter un logiciel spécifié (dans un environnement connu) ; Savoir entrer un nombre, une lettre, un mot dans une zone spécifiée, ...; Savoir charger un fichier spécifié ou sauvegarder des résultats.... ; Savoir se déplacer dans un menu de commandes, valider une commande ; Savoir renseigner une zone de saisie multiple ; Savoir utiliser un environnement Windows. Savoir entrer une expression définie par une fonction mathématique et/ou des opérations arithmétiques ;. Savoir définir de nouvelles colonnes dans un tableur ou un logiciel équivalent donné ; Savoir obtenir une représentation graphique spécifiée à partir d'un tableau de valeurs (pour un logiciel donné). |
Savoir utiliser un pointeur pour
obtenir les coordonnées d'un point spécifique d'un graphique ; Savoir obtenir une courbe (graphique) à partir de l'expression mathématique d'une fonction donnée (pour un logiciel donné) ; (second ordre). Savoir utiliser une fonctionnalité spécifique. |
Savoir reconnaître les
différents éléments d'une chaîne de mesure informatisée ; Savoir utiliser une procédure/commande de résolution numérique d'équation différentielle (entrée de l'expression du second membre et des valeurs "initiales", etc.). Savoir déterminer la précision de la mesure pour une quantification donnée et un calibre donné ; Savoir mettre en œuvre la régression linéaire sur un ensemble de données pour déterminer les valeurs des paramètres ; Savoir mettre en œuvre une méthode d'optimisation de modèle sur un ensemble de données pour déterminer des paramètres ; Savoir mettre en œuvre une méthode de résolution numérique d'équation différentielle. |
Savoir faire la connexion sur une
voie d'entrée spécifiée d'une interface ou sélectionner le calibre d'entrée
spécifié de l'interface (ou de l'adaptateur de l'interface). Savoir conduire/contrôler une acquisition semi-automatique (déclenchement, validation clavier, entrée de valeurs au clavier, etc.) ; Savoir utiliser une procédure/ commande d'optimisation de modèle (entrer la fonction, sélectionner les bornes, lancer l'exécution, vérifier l'adéquation, réécrire les affichages, etc.) ; Savoir déterminer les paramètres une acquisition automatique ou semi-automatique. Savoir utiliser une méthode de dérivation numérique ou d'intégration numérique (pour calculer une grandeur) ; |
Unité Informatique et enseignement
08/10/1999