LE SAVOIR PASSE PAR LA REALISATION Contacts : P. Trouillon et T. Le Bourguennec

Le contexte

Le lycée Jean Rostand est un établissement polyvalent classé ZEP de 1200 élèves qui se découpe en trois parties :

• Une partie professionnelle allant du CAP au Bac Professionnel

• Une partie technologique avec des filières industrielle et tertiaire

• Une partie générale avec les filières ES et S
Pour alimenter les classes de première, nous disposons de 7 secondes ayant des effectifs de 25 à 30 élèves mais notre projet ne concerne que trois de ces classes possédant l’option ISP qui est un enseignement de détermination. Ces élèves en majorité choisissent entre deux voies technologiques et une voie générale :

• STI E (Sciences et Technologie Industrielle Electrotechnique) ;

• STI M (Sciences et Technologie Industrielle Mécanique) ;

• S option SI (Sciences de l’ingénieur).
C’est pour optimiser ce choix grâce à la connaissance des domaines électriques et mécaniques, de la manière la plus motivante possible, que les professeurs de génie électrique ont opté pour la fabrication de voitures électriques en modèle réduit. L’étude et la fabrication interviennent tout au long de l’année scolaire aux heures de ISP et au dernier trimestre aux heures de ISI.

Ce projet a pour but supplémentaire d’attirer dans cette section des élèves qui ont besoin d’être confortés dans leur progression par des applications concrètes.

objectifs

Le profane a tendance à penser qu’être à l’école suffit pour apprendre et comprendre. De part ce fait, on entend très souvent : « Le professeur doit inculquer le savoir à nos enfants ». C’est vrai, mais l’homme est une « machine » complexe et unique, et la méthodologie est aussi essentielle dans l’apprentissage du savoir que le contenu !

De plus, il serait faire preuve d’immodestie de penser que tout cours est compréhensible par tous. Notre but est d’essayer de trouver un chemin qui conduit nos élèves à leur réussite.

Le cerveau est comme une multitude de pièces vides. Elles doivent se remplir de connaissances diverses petit à petit. Elles sont acquises ou perdues. Mais le plus souvent, elles sont mal rangées, au fond de la mémoire.

Dans le domaine technique, il est souhaitable que les élèves ne soient pas limités à l’étude théorique en cours et à la découverte de travaux pratiques conçus par le professeur, pour une éventuelle utilisation industrielle « plus tard ». Une part importante du temps de formation (environ 80% ) doit être consacrée à des activités de réalisation dans le cadre de l’ISP.

Une idée qui a fait ses preuves

L’expérience a déjà démontré que les élèves sont plus motivés lorsqu’ils réalisent un projet concret qu’ils peuvent développer eux-mêmes ; déjà, dès l’année 1986 et pendant quelques années, les élèves de terminale F3 (maintenant appelée STI Electrotechnique) réalisaient un projet pendant les heures d’atelier du troisième trimestre.

Depuis 1996, notre équipe a repris cette idée de réalisation pour la motivation des élèves de seconde ISP (Informatique et système de production) en fournissant un but à leur apprentissage pour le court terme. Ce projet a été intégré dans la formation en accord avec le programme officiel. Par groupes de six élèves les premières années puis 4 élèves récemment, ils réalisent une voiture dans le but de lui faire gagner un tournoi interclasse en fin d’année.

Cette méthode est de nouveau préconisée actuellement en lycée professionnel sous forme de PPCP (projet pluridisciplinaire à caractère professionnel) et en lycée technique sous forme de TPE (Travaux personnels encadrés) dans lesquels il est demandé une réalisation.

Pour les sciences de l’ingénieur, en première et terminale, il existe depuis la rentrée 2002 les PPE (Projet pluritechnique encadré) en plus des TPE. Pendant ces PPE, les élèves produisent différentes architectures de solutions à un problème posé, en communiquant au sein du groupe de projet, en évaluant et comparant les solutions proposées.

L’évolution des programmes nous a donné raison puisqu’un mini projet est réalisé pour l’option d’ISI (Initiation aux Sciences de l’Ingénieur). Tout naturellement, l’équipe pédagogique a adopté comme support nos voitures pour la recherche des meilleures solutions mécaniques spécifiques : par exemple, pour le guidage des voitures, pour l’alimentation électrique par frottement de balais sur des rails, pour la liaison mécanique entre le moteur et les roues. Ce mini-projet, prévu au référentiel, est effectué au troisième trimestre.

Cette idée de réalisation qui a fait ses preuves, reprise pour les élèves de seconde depuis 1996, est donc maintenant préconisée pour de multiples sections d’élèves.
D’autres élèves ont été temporairement associés à ce projet, plus précisément des étudiants de BTS électrotechnique, pour la réalisation d’une armoire électrique de priorité d’arrivée à cellules infrarouges et la réalisation d’un chronomètre électronique à très gros affichage. Ces réalisations plus complexes, reliées au réseau EDF, demandent des connaissances pour le dimensionnement et le choix des constituants, un savoir faire et une maîtrise des normes de câblage qui correspondent à leur niveau. Dans le cadre de l’atelier de première année, ces étudiants ont eu l’avantage d’étudier et de réaliser ces objets techniques ayant une utilité concrète et une durée de vie supérieure à celle des mini-projets habituels ce qui renforce leur motivation.

C’est un alibi motivant pour aborder sur toute l’année la connaissance de ses divers constituants électriques, mais aussi aborder un savoir-faire dans les domaines des mesures électriques, de la conception assistée par ordinateur et la finalisation d’un dossier grâce à un logiciel de traitement de texte.

Les élèves prennent conscience que tous les savoirs accumulés vont leur permettre de construire leur avenir d’adulte ; ils choisissent leur orientation en connaissant les domaines électriques et mécaniques et en étant acteur de leur réussite.

La réalisation fait appel à des connaissances dans des matières différentes, comme l’explique le tableau de répartition annuelle ci-après.

TABLEAU DE REPARTITION ANNUELLE DU TRAVAIL

Un projet conforme au référentiel

Au travers de ce projet, les élèves acquièrent la plupart des compétences recommandés par le programme officiel, comme explicité ci-dessous.

–  Exploiter une représentation (schémas, diagrammes divers) pour une réalisation ; ici, savoir lire un schéma électrique, un plan mécanique.

–  Situer physiquement et chronologiquement son activité dans l’ensemble ; pour la réalisation de la voiture, savoir interconnecter les différents cartes électroniques après les avoir réalisées et testées.

–  Reconnaître les transformations apportées au produit au fur et à mesure du déroulement du processus de réalisation ; savoir organiser la réalisation et la coordination des travaux : tâches élémentaires, enclenchement des tâches (antériorités, simultanéités, calendrier prévisionnel, etc).

–  Reconnaître la transformation apportée au produit sur un poste de travail donné ; savoir effectuer l’assemblage de pièces mécaniques, d’éléments de structure, de composants ou de sous-ensembles électriques et électroniques, par exemple : vissage, soudage, etc.. Savoir procéder aux réglage ou à la modification d’une configuration attendue sur la voiture, pour qu’elle soit l’expression personnalisée du travail du groupe.

–  Décoder le contrat de travail à réaliser ; ici, savoir comprendre le cahier des charges qui est la formulation du travail à effectuer.

–  Rendre compte de son travail oralement, par écrit et sur les moyens informatiques adaptés ; Les élèves dialoguent pendant tous les travaux pratiques (TP) pour réaliser la meilleure synthèse écrite. Ce travail se termine par le TP de réalisation d’un dossier sur logiciel de traitement de texte.

–  Installer, régler les cartes électroniques et gérer l’approvisionnement utile à la réalisation ; les élèves doivent apprendre par des TP à tester leur carte électronique et à comprendre comment réaliser le banc de test de celle-ci. Ils doivent aussi au préalable faire le bilan des composants qui leur sont fournis en les insérant en bonne place sur leur circuit imprimé avant de les souder.

–  Reconnaître les éléments accessibles à l’opérateur déterminants pour la sécurité des personnes et des biens ; les élèves sont sensibilisés aux règles de sécurité par une méthodologie de travail.

–  Identifier la nature et repérer les niveaux des énergies utilisées ; ce projet amène les élèves à identifier les signaux électriques continus et alternatifs et à savoir les mesurer.

–  Réaliser des opérations de production ; la voiture est la production tangible de toute une année.

–  Contrôler une ou plusieurs spécifications du produit ; tout au long de l’année, les élèves contrôlent la conformité de fonctionnement de la voiture et de ses différents sous-ensembles (rapidité, minimum de frottement mécanique, aérodynamisme, adaptabilité au rail de guidage et d’alimentation électrique, contrôle des cartes électroniques, etc). Dans notre cas ce contrôle devient pour l’élève une évaluation tangible de son travail.

Les autres compétences techniques du programme sont abordées dans une partie complémentaire à cette réalisation où sont utilisés des systèmes de production.
Les compétences transversales liées au savoir-être sont développées tout au long de ce projet : autonomie, complémentarité, tenir compte de l’autre, communiquer, gérer l’émulation et l’esprit de compétition ailleurs que dans le sport.

Mise en oeuvre

Les séances de travaux pratiques (TP) sont organisées en rotations de trois TP différents et simultanés : tous les élèves ne font pas le même TP en même temps. Il faut donc trois séances pour que tous les élèves aient réalisé tous les TP d’une rotation.

La progression nécessaire à cette réalisation est donc la suivante :

–  Acquisition des notions et lois fondamentales d’électricité, avec connaissances des divers signaux électriques et les méthodes pour les mesurer ;

–  Utilisation d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) prévu pour la conception des circuits imprimés nécessaires aux voitures ;

–  Découverte de deux fonctions électroniques très utilisées : l’adaptation d’énergie électrique par une carte d’alimentation et la modulation d’énergie électrique par une carte de variateur de vitesse pour un moteur électrique ;

–  Découverte de composants électroniques simples pour comprendre les dépannages éventuels ;

–  Utilisation d’un logiciel de traitement de texte pour la réalisation d’un dossier car un système industriel est toujours accompagné de son dossier.

Les compétences nécessaires à la conception et la réalisation mécanique sont abordées dans la partie complémentaire à cette réalisation et pendant l’option ISI (initiation aux sciences de l’ingénieur).

L’organisation annuelle se déroule donc chronologiquement de la façon suivante :

–  La présentation théorique du projet et du tournoi de fin d’année.

–  Une partie de cours pour l’acquisition des notions et lois fondamentales d’électricité, avec connaissances des divers signaux électriques et les méthodes pour les mesurer, ainsi que la méthode de fabrication des circuits imprimés et le rôle d’une CAO pour circuits imprimés.

–  La détermination du rôle de chaque élève pour les différentes voitures.

–  Une rotation de trois TP : le TP d’apprentissage de mesures électriques avec un multimètre, le TP de CAO prévu pour la conception des circuits imprimés des voitures et le TP de réalisation et perçage des circuits imprimés des voitures.

–  Une partie de cours pour la connaissance des composants électroniques simples et la méthode de fabrication des cartes électroniques.

–  Une rotation de trois TP : le TP de découverte de l’alimentation grâce aux mesures électriques avec un multimètre et un oscilloscope, le TP d’apprentissage du fonctionnement de composants électroniques et le TP de réalisation des cartes électroniques des voitures par implantation et soudage des composants.

–  Une partie de cours pour la compréhension du fonctionnement du moteur électrique et de sa variation de vitesse.

–  Une rotation de trois TP : le TP de découverte du variateur de vitesse du moteur grâce aux mesures électriques avec un multimètre et un oscilloscope, le TP d’utilisation du logiciel de traitement de texte pour la réalisation du dossier et le TP de test des cartes électroniques des voitures par des mesures électriques.

–  Un groupe de TP pour la finalisation des voitures comportant le montage mécanique des constituants, le câblage d’interconnexion des cartes électroniques, des balais d’alimentation et du moteur, ainsi que les réglages et essais, pendant un TP sur l’étude de la constitution et du fonctionnement des ordinateurs.

En plus des évaluations formatives que constituent les TP, des évaluations sommatives sous forme de contrôles de connaissances sont effectuées régulièrement.

Pour connaître dans quelles conditions de travail sont les élèves dans les premières semaines, il est souhaitable de définir la voiture à réaliser. Pour permettre un montage simple, mais de bonne qualité et évolutif, la voiture est constituée de pièces de MECCANO dans l’exemple présenté ici et de trois cartes électroniques complémentaires :

• Une carte d’alimentation fournissant une tension continue ;

• Une carte de rampe d’accélération ;

• Une carte de variation de vitesse du moteur.

Plus récemment, pour n’avoir que 4 élèves fabriquant une voiture, l’alimentation et la rampe d’accélération ont été réunies sur une seule carte.

Pour des raisons évidentes de sécurité, l’ensemble du projet est en très basse tension.

Les professeurs ont imposé un cahier des charges commun. Certains critères mécaniques n’ont volontairement pas été imposés pour laisser une part d’initiative aux élèves grâce à une vraie réflexion mécanique.

Il faut maintenant définir le cahier des charges imposé par les professeurs : chaque voiture comporte deux roues motrices sur un seul axe (un moteur par voiture), ce moteur est commandé par un variateur de vitesse, une carte de rampe de démarrage et une alimentation de tension continue 6 V (maintenant 12 V) qui lui sont spécifiques. Ces trois cartes électroniques sont fixées sur la voiture.

L’alimentation en énergie, une tension 9 V alternatif (maintenant 15 V alternatif) sera effectuée par frottement de deux balais sur deux équerres en aluminium servant aussi au guidage linéaire.

Le choix de la position et de la fixation de la ou des roues non propulsives est laissé à l’initiative des élèves.

En début d’année, les élèves se répartissent le travail en équipes, comme dans un bureau d’étude.

Chaque groupe ayant en charge une voiture sera constitué de 4 élèves, avec une répartition des tâches effectuée de la manière suivante :

• ELEVES N°1 et 2 : réalisation d’une alimentation de tension continue et de la rampe d’accélération.

• ELEVES N°3 et 4 : réalisation d’un variateur de vitesse du moteur.

Certaines années passées, des cartes électroniques supplémentaires de détection d’arrivée par cellules infrarouges ont été réalisées.

Un samedi matin du mois de juin, les élèves des secondes ISI-ISP (de 75 à 90) et leurs parents, ainsi que les responsables administratifs du lycée, sont invités à assister au tournoi dans la salle polyvalente.

Les voitures s’affrontent deux par deux, sur deux pistes linéaires de dix mètres chacune. A raison de cinq à six voitures par classe, c’est un tournoi de seize à dix huit voitures qui est organisé et guidé par exemple par le tableau suivant :

SCHEMA DES RENCONTRES ENTRE VOITURES

Lorsque le nombre de voitures est différent de seize, une course chronométrée permet de sélectionner huit candidats pour le tour suivant.
Les éliminatoires commencent ; les voitures gagnantes se rencontrent jusqu’à trouver la petite finale entre les deux derniers perdants et la finale entre les deux derniers gagnants. Le gagnant de cette finale remportera le tournoi.
Pendant cet événement festif, l’ambiance est sympathique. Le journal local du lycée et parfois un journal régional immortalisent ce tournoi sur papier pour en informer un plus grand nombre, avec en complément des photos comme celles présentées ici.

PHOTOS

Analyse

Professeurs de seconde, nous avons voulu que nos élèves puissent profiter au maximum de l’enseignement de détermination qu’est l’ISP (Informatique et Systèmes de Production) afin de leur permettre un véritable choix d’orientation. De plus, notre lycée étant étiqueté ZEP, il était nécessaire de motiver chaque élève et de souder une équipe d’enseignants. Pour offrir une bonne orientation, il nous est apparu qu’il fallait que chaque élève puisse exprimer son ou ses talents ; aussi la mise en place de la réalisation d’un objet pluri-technologique s’est vite imposée.

Au départ ce projet a nécessité de nombreuses réunions pour pouvoir choisir l’objet technique, l’insérer dans la progression de l’année, ce qui favorisa une plus grande cohésion de l’équipe pédagogique.
Mais nous voulions que nos élèves soient « acteurs » de leur formation et pour cela il nous fallait trouver une motivation autre que la seule réalisation. Un tournoi ! Voilà l’idée qui devait tout mettre en musique !
Tout au long de l’année en réalisant une voiture électrique, nous travaillons autrement en permettant à nos élèves de prendre des initiatives, en leur laissant de l’autonomie sachant que le tournoi de fin d’année leur fournit suffisamment de motivation pour arriver à un produit compétitif.

Le prix de cette démarche est qu’il est nécessaire d’adapter le cours à la vitesse de réalisation et donc de mettre au grenier une belle et immuable progression ; mais quelle joie de voir nos élèves passionnés par leur travail tout au long de l’année, et quelle récompense que l’ambiance du tournoi de fin d’année où l’angoisse de certains est palpable : les parents sont là !

Et l’équipe de professeurs dans tout ça ? au bout de deux ans, le projet est installé et nous avons eu envie et besoin de nous motiver de nouveau. Au début en effet, la participation des collègues se fait facilement car nous avons tous envie de motiver nos élèves en mettant en place des pédagogies nouvelles, mais il faut durer... Dans notre cas, une des raisons de la pérennisation du projet fut de choisir des objets pluri-technologiques de difficultés raisonnables et de valider leurs performances par un tournoi officiel en présence des parents d’élèves. De plus, pour éviter les problèmes de financement au départ, les réalisations ont été fabriquées à partir d’éléments « MECCANO » que nous avons pu acquérir au cours des années.
Deux écueils restent tout de même présents : l’usure du temps et les changements de collègues. Pour le premier problème, notre réponse fut le changement des réalisations ; de voitures sommaires au début, nous sommes passés par la fabrication de différents robots puis enfin au tournoi actuel de voitures électriques. Pour qu’il perdure, le projet ne doit pas être figé mais vivant et évolutif. Il doit surprendre ses concepteurs même au bout de plusieurs années. En ce qui concerne les rotations des nouveaux professeurs, les tournois de fin d’année ont toujours permis que chacun puisse trouver une émulation sachant qu’il est toujours resté un noyau dynamique. Et par ailleurs, d’autres collègues volontaires apportent un nouvel élan qui profite à tous et relance la « machine », si les départs ont été gérés intelligemment. Travailler autrement reste toujours notre envie.

Le développement d’un projet confirme les règles admises par ceux qui travaillent en équipe : plus le nombre de collègues organisateurs est important, plus le nombre de bonnes idées l’est aussi si un dialogue respectueux est établi. L’équipe de professeurs s’est souciée de ne pas laisser le projet aux mains d’un seul leader pour éviter que cette réalisation ne disparaisse avec le meneur.

Le travail en projet nous a permis de recréer un dynamisme perdu ou tout au moins très atténué, où chaque élève peut montrer ses qualités spécifiques, l’un la rigueur de son analyse, un autre son sens du concret, un autre son ingéniosité naturelle. La complémentarité de ces acteurs fait la force d’un projet. Il peut amener un élève en échec scolaire à trouver sa voie ou au moins l’entrevoir. Par là même, toutes les différentes personnalités sont respectées.
Le déroulement du projet pendant toute l’année scolaire est important : il est le ciment de l’année de travail ; en effet, il fixe un objectif concret, il crée un groupe-classe autour de la production, il soude et justifie les apprentissages et il est tangible en fin d’année puisqu’il est mené à bien.

Il est souhaitable d’encourager les élèves vers ces filières techniques porteuses d’emplois à court, moyen et long terme (vers les STI et les sciences de l’ingénieur). En effet, le monde du travail prévoit déjà, plus que dans d’autres domaines, une pénurie de techniciens supérieurs et surtout d’ingénieurs dans les prochaines décennies à cause des départs en retraite et des besoins toujours croissants pour la production automatisée.