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DOCUMENT POUR FAIRE LA CLASSE - SÉRIE S
ENSEIGNEMENT SPÉCIFIQUE DES SCIENCES DE L’INGÉNIEUR
Programme 2011-2018
L’objectif de ce document est de préciser les finalités et les orientations du programme de l’enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur de la série S. Il doit aider les enseignants à percevoir et à appréhender la rupture, donc les évolutions fondamentales, du nouveau programme publié au BOEN spécial N°9 du 30 septembre 2010 par rapport à celui publié au BOEN spécial N°6 du 30 août 2001.
Après cette introduction, des préconisations et des suggestions sont proposées, mais il ne s’agit en aucun cas de prescriptions qui entravent la liberté pédagogique de l’enseignant dans le cadre général du programme.
La rénovation de ce programme s’inscrit dans le cadre de la réforme du lycée, et en particulier de la série S. De trop nombreux bacheliers ne poursuivent pas d’études supérieures scientifiques et technologiques longues, il importe donc de recentrer cette série sur ses objectifs.
Le baccalauréat S affirme sa vocation scientifique et conceptuelle. Le programme de sciences de l’ingénieur a été élaboré dans ce sens, il est clairement ancré dans la série S. Tout doit concourir à donner aux élèves de la série S le goût pour la poursuite d’études supérieures scientifiques et technologiques longues.
Les sciences de l’ingénieur sont un enseignement spécifique du baccalauréat scientifique. Comme les autres disciplines expérimentales de ce baccalauréat, la pédagogie mise en œuvre valorise une démarche scientifique (figure 1).
Figure 1 - Démarche scientifique
La démarche scientifique en sciences de l’ingénieur mobilise des compétences scientifiques et technologiques pour s’intéresser aux systèmes pluri technologiques répondant aux besoins de l’Homme.
L’ingénieur travaille en équipe et en relation avec de nombreux acteurs. Il doit aussi maîtriser des compétences de communication.
Figure 2 - Démarche scientifique en sciences de l’ingénieur
Les activités pédagogiques au niveau du cycle terminal proposent aux élèves d’aborder la démarche de l’ingénieur, qui consiste à :
- vérifier les performances attendues d’un système, par l’évaluation de l’écart entre un cahier des charges et les réponses expérimentales (figure 3, écart 1) ;
- proposer et de valider des modèles d’un système à partir d’essais, par l’évaluation de l’écart entre les performances mesurées et les performances simulées (figure 3, écart 2) ;
- prévoir les performances d’un système à partir de modélisations, par l’évaluation de l’écart entre les performances simulées et les performances attendues au cahier des charges (figure 3, écart 3) ;
- proposer des architectures de solutions, sous forme de schémas ou d’algorigrammes.
Figure 3 - Représentation des différents écarts
Donner du sens aux activités pédagogiques impose de les centrer autour de cette démarche de l’ingénieur en particulier par l’analyse de ces trois écarts. Celle-ci conduit éventuellement à la remise en cause des protocoles expérimentaux, des mesures effectuées, des modèles retenus, dans le cadre d’une véritable réflexion scientifique de l’ingénieur.
L’acquisition de cette démarche ne peut se faire efficacement que sur des systèmes pluri technologiques complexes. La dichotomie génie électrique - génie mécanique, qui prévalait jusqu’alors, disparaît au profit d’une approche mieux adaptée pour aborder les différents domaines de l’ingénierie, notamment ceux des bâtiments et ouvrages.
Ce programme de sciences de l’ingénieur favorise une approche pluridisciplinaire qu’il est souhaitable de mettre en œuvre en toute occasion, au-delà du TPE et du projet interdisciplinaire. Le professeur de sciences de l’ingénieur devra organiser sa progression pédagogique en relation avec son collègue de mathématiques et de celui de SPCFA. Cette progression doit s’appuyer sur des activités expérimentales. Celles-ci ne sont pas une finalité, mais constituent uniquement une modalité pédagogique.
Cette pluridisciplinarité doit être organisée pour les activités de TPE et de projet qui sollicitent des démarches de créativité pour imaginer des solutions qui répondent à un besoin.
Les sciences de l’ingénieur ne sont pas une application des mathématiques et des SPCFA. Ce nouveau programme permet aux sciences de l’ingénieur de se distinguer des sciences appliquées par ses démarches spécifiques, nécessaires à l’étude et à l’analyse des systèmes pluri technologiques complexes.
Six heures d’enseignement doivent être consacrées au programme de sciences de l’ingénieur aussi bien en première qu’en terminale. Dans le cadre de l’autonomie des établissements, elles peuvent être équitablement réparties entre cours, TP et TD, ces derniers comportant des activités de simulation.
La septième heure en première est consacrée au TPE. Le principe de base pour le TPE est la pluridisciplinarité, deux disciplines au moins doivent être impliquées : les sciences de l’ingénieur ainsi que, par exemple, les mathématiques, la physique-chimie ou encore les sciences de la vie et de la Terre
Soixante dix heures en terminale sont consacrées au projet interdisciplinaire en collaboration avec les disciplines scientifiques ou encore les disciplines de l’enseignement commun.2 - LA DÉMARCHE DE L’INGÉNIEUR 
2.1 - Compétences visées et écarts observés
2.2 - Notion de systèmes réels
2.1 - Compétences visées et écarts observés
L’équipe pédagogique des classes de première et de terminale doit bâtir une progression qui permet la mise en œuvre de la démarche de l’ingénieur décrite à la figure 3. L’objectif terminal est de mettre en évidence les écarts entre les performances des différents systèmes représentés sur la figure 4. Les entrées du programme peuvent se faire par les différents systèmes (souhaité, réel et simulé) ; la démarche de l’ingénieur a pour objectif de minimiser les écarts entre les systèmes souhaité, réalisé et simulé. Les écarts permettront, si nécessaire, de compléter la connaissance des modèles, des protocoles expérimentaux ou d’améliorer les performances du système réel.
Figure 4 - Démarche de l’ingénieur pour caractériser les écarts
Pour atteindre cet objectif terminal, les quatre compétences (Analyser, Expérimenter, Modéliser, Communiquer) seront à développer, par la mise en place des sous-compétences (A1, A2, …, B1, …) du programme. Durant les deux années de formation, notamment en début, il sera parfois nécessaire de mettre en évidence un seul des trois écarts, et de se limiter à une partie de la démarche de l’ingénieur. Cette démarche est illustrée par les trois graphiques (figure 5), avec les sous compétences associées.
Identifier l'objectif : caractériser l’écart entre les performances attendues et les performances mesurées |
||
| Analyser le besoin | A1, A2 | |
| Analyser le système | ||
| Élaborer / justifier un protocole expérimental | C | |
| Mettre en œuvre le système | ||
| Mettre en œuvre le protocole expérimental | ||
| Analyser le résultat des essais | ||
| Conclure et décider | A3, D | |
| Identifier l’objectif : caractériser l’écart entre les performances mesurées et les performances simulées | ||
| Élaborer / justifier un protocole expérimental | C | |
| Mettre en œuvre le système | ||
| Mettre en œuvre le protocole expérimental | ||
| Analyser le résultat des essais | ||
| Élaborer / justifier un modèle | B | |
| Mettre en œuvre la simulation | ||
| Afficher les résultats de la simulation | ||
| Conclure et décider | A3, D | |
| Identifier l’objectif : caractériser l’écart entre les performances attendues et les performances simulées | ||
| Analyser le besoin | A1, A2 | |
| Analyser le système | ||
| Élaborer / justifier un modèle | B | |
| Mettre en œuvre la simulation | ||
| Afficher les résultats de la simulation | ||
| Conclure et décider | A3, D | |
Figure 5 - Démarche (complète ou partielle) de l’ingénieur pour caractériser un seul écart
2.2 - Notion de systèmes réels
Les systèmes réels, dans leur environnement normal d’utilisation, ont des comportements d’un certain niveau de complexité qui sont peu accessibles à la compréhension au cycle terminal du lycée. Il est cependant possible de mener une réflexion sur ces comportements à partir d’un système réel instrumenté replacé dans son contexte ou d’une maquette instrumentée présente dans le laboratoire. Cette réflexion doit permettre de sensibiliser les élèves sans exagération sur les différences de comportement dues à cette modélisation (figure 6).
Figure 6 - Mise en évidence d’une différence entre les performances mesurées sur le système en situation d’usage et sur la maquette
2.2.1 - Influence de l’environnement sur le comportement d’un système
Le comportement des systèmes présents dans le laboratoire de sciences de l’ingénieur peut être différent de celui qui est en situation d’usage. Une sensibilisation à cette différence est nécessaire pour :
- justifier la pertinence du système du laboratoire par rapport au système en situation d’usage ;
- conclure sur les performances du système en situation d’usage.
2.2.2 - Particularité des systèmes de grandes ou très petites dimensions
Les systèmes de grandes ou de très petites dimensions ne peuvent être disposés dans une salle de classe ou un laboratoire. C’est particulièrement le cas des systèmes issus du domaine de l’aménagement du territoire, de l’habitat, des ouvrages, des transports (bâtiments, ouvrages de travaux publics, avions, bateaux, trains, …) et des systèmes issus des nanotechnologies.
Figure 7 - Pont routier
Il est cependant possible de travailler sur ces systèmes, à partir d’une maquette réelle à échelle réduite et d’une maquette virtuelle.
Figure 8 - Maquettes du pont
Remarque :
Les composants structurels des maquettes, même s’ils sont proposés dans des matériaux différents de ceux du système réel, devront transposer la réalité. Par exemple :
- le tablier d’un pont à haubans est plus lourd que les haubans qui le soutiennent ;
- l’influence des charges liées aux situations d’usage des systèmes devra être une transposition directe des effets réels, que l’on devra pouvoir constater par l’observation des comportements du système ;
- la structure d’un pont suspendu a pour fonction de supporter le tablier puis les véhicules empruntant cet ouvrage ;
- dans une habitation, le poids d’un plancher est prépondérant par rapport à celui des personnes et des biens portés par ce plancher ;
- des phénomènes de dilatation thermique peu visibles à petite échelle peuvent devenir déterminants sur le système réel.
3 - ÉLABORER UNE PROGRESSION PÉDAGOGIQUE
3.1 - Éléments pour l’élaboration d’une progression pédagogique
3.2 - Une progression construite avec une approche par compétences
3.3 - Une progression qui organise les activités sur deux ans
3.4 - Une approche concourante mais non séquentielle
3.5 - Les contraintes d’antériorité entre les séquences
3.1 - Éléments pour l’élaboration d’une progression pédagogique
L’organisation des enseignements relève de propositions du conseil pédagogique arrêtées par le chef d’établissement1.
Ce document a pour objectif d’aider à la mise en œuvre du nouveau programme de l’enseignement spécifique de sciences de l’ingénieur. Il en précise les intentions en apportant des éléments d’information et d’illustration.
[1] Article 8 - Bulletin officiel spécial n° 1 du 4 février 2010.
3.2 - Une progression construite avec une approche par compétences
Le BOEN spécial n°9 du 30 septembre 2010 précise les compétences à installer progressivement durant le cycle terminal (figure 9).
Figure 9 - Compétences à installer pendant le cycle terminal
La progression pédagogique se construit à partir d’une approche par compétences qui se déroule en trois phases (figure 10) :
Phase 1 – L’acquisition de connaissances et de capacités qui constitueront progressivement les acquis du lycéen (ressources internes). L’accès à des bases de ressources documentaires (ressources externes) permettra à l’élève de compléter ses connaissances.
Phase 2 – L’entraînement à la résolution de tâches complexes. La démarche est donnée, la résolution est guidée et le choix de la méthode est précisé.
Phase 3 – La tâche complexe est résolue en autonomie.
Figure 10 - Comment développer une compétence ?
Ce schéma peut être mis en œuvre dès le début de la formation du cycle terminal. C’est la répartition entre ressources internes et externes qui change, en début de première, l’élève utilise ses acquis de seconde et des ressources externes ; en fin de cycle terminal, il utilise l’ensemble des compétences déclinées dans le programme.
La progression pédagogique intègre à la fin du cycle terminal une activité de projet interdisciplinaire (figure 11). Il constitue une modalité pédagogique permettant de consolider ou d’augmenter le niveau de maîtrise des compétences.
Figure 11 - Augmentation progressive du niveau de maîtrise des compétences
3.3 - Une progression qui organise les activités sur deux ans
3.3.1 - Organisation pédagogique
Le programme propose une répartition des capacités à atteindre en fin de première et en fin de terminale. Lorsque le niveau attendu n’est précisé qu’en classe de terminale, cela signifie qu’il doit être atteint en fin de cursus mais qu’il peut être introduit en classe de première.
La diversité des matériels et l’implantation des laboratoires doivent conduire à une organisation pédagogique par centres d’intérêt.
Dans l’enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur, un centre d’intérêt permet de regrouper des connaissances et des capacités autour de situations problèmes pour construire des compétences. Ce regroupement permet aux élèves d’acquérir les mêmes connaissances et de développer les mêmes capacités par des activités qui peuvent être différentes.
Un exemple possible d’organisation en centres d’intérêt :
| Point de vue | Centres d’intérêt | |
| Système souhaité | CI1 | Analyser un système fonctionnellement et structurellement. |
| Système réel | CI2 |
Expérimenter et mesurer sur un système réel pour évaluer ses performances. |
| CI3 | Analyser des constituants d’un système réel d’un point de vue structurel et comportemental. | |
| Système simulé | CI4 |
Concevoir et utiliser un modèle relatif à un système en vue d’évaluer les performances de la chaîne d’information. |
| CI5 | Concevoir et utiliser un modèle relatif à un système en vue d’évaluer les performances de la chaîne d’énergie. | |
Une partie de l’organisation pédagogique peut se construire à partir d’un centre d’intérêt, c’est le cas en début de classe de première. Au fur et à mesure de l’augmentation du niveau de maîtrise des compétences, on peut faire intervenir plusieurs centres d’intérêt.
La plus petite unité pédagogique temporelle cohérente est la séquence. Elle est qualifiée de cohérente si :
- elle est construite avec un ou plusieurs centres d’intérêt ;
- elle mobilise trois processus, donner du sens et motiver les élèves, développer les compétences, évaluer les acquis.
Il reste à définir l’organisation temporelle des séquences adaptée aux contraintes de l’année scolaire (trimestres et périodes inter-vacances, examens).
Un exemple d’organisation pédagogique est fourni figure 12.
Figure 12 - Exemple d’organisation pédagogique par centres d’intérêt
Chaque séquence doit comporter un processus centré sur le sens. Il permet de travailler sur la motivation des élèves et sur le sens donné aux activités proposées. Ces deux points sont étroitement associés à l’efficacité pédagogique de la séquence. Ce processus est réduit dans une séquence mettant en œuvre une démarche déductive et il est particulièrement développé lors de l’emploi d’une démarche inductive.
Il est préconisé une entrée globale, externe et descendante. La méthode s’organise en trois étapes (figure 13) :
- présenter les activités proposées en prenant en compte le contexte économique, social et environnemental. On s’intéresse avant tout au « pourquoi » (par exemple : quels sont les nouveaux services à développer pour favoriser les déplacements en milieu urbain ?) ;
- établir une problématique exprimée au niveau des fonctions de services du système dont on cherche à en vérifier les performances (par exemple : quelle énergie faut-il embarquer pour obtenir l’autonomie attendue ?) ;
- présenter un ou plusieurs problèmes techniques en liaison avec les fonctions techniques du système (par exemple : comment transmettre un effort ?).
Figure 13 - Comment donner du sens ?
Chaque séquence doit comporter un processus de structuration des connaissances associées aux compétences. C’est le rôle du cours dans une démarche déductive ou de la leçon de synthèse dans une démarche inductive. Le résultat de ce processus (les documents remis à l’élève ou les prises de notes) doit être d’une accessibilité maximale pour l’élève, il identifie ce qui est à apprendre et à retenir.
Chaque séquence doit comporter un processus d’évaluation (ou auto-évaluation) qui peut être complet (diagnostic, formatif, sommatif) ou partiel (uniquement formatif). Ce processus doit être bien identifié et lisible de l’élève. Il définit le contrat pédagogique passé entre le professeur et l’élève. Il explicite les attendus, les critères, le type et les modalités d’évaluation.
3.3.2 - Organisation d’une séquence
Une séquence est un ensemble de séances, liées par un principe d’organisation : les élèves acquièrent les mêmes compétences en réalisant des activités qui peuvent être différentes (figure 14). Une séquence doit posséder son propre dispositif de structuration des connaissances (cours en démarche déductive, synthèse en démarche inductive) et un dispositif d’évaluation.
La phase d’activation est destinée à donner du sens aux apprentissages, à présenter la problématique et les choix de supports pour motiver les élèves. Par exemple dans une démarche pédagogique inductive, on pourrait organiser la séquence comme représentée figure 14.
Figure 14 - Organisation structurelle et temporelle d’une séquence
Une étude de cas est un ensemble d’activités pédagogiques (cours, travaux dirigés, simulations, activités expérimentales, mini-projet2) qui permet aux élèves d’acquérir des connaissances et des capacités à partir d’une situation problème. Les modalités pédagogiques s’appuient sur des démarches d’investigation et de résolution de problèmes.
Une étude de cas conduit les élèves à découvrir des règles, des lois, des méthodes, des organisations fonctionnelles et structurelles dans leur contexte normal d’utilisation sur des systèmes existants, présents ou non dans le laboratoire.
Chaque situation problème relève d’un thème sociétal (par exemple : énergie) et d’une problématique (par exemple : rendre une maison plus économe en énergie).
[2] Le mini projet est une activité, indépendante du projet interdisciplinaire, d’une durée de deux à quatre environ.
3.3.4 - Exemple de thèmes sociétaux
Voici quelques exemples de problématiques et de systèmes à étudier, permettant d’introduire des activités pédagogiques.
| Thèmes sociétaux | Problématique | Systèmes potentiellement à étudier |
| Confort |
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Équipements électroménager, audiovisuel, informatique |
| Énergie |
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Habitat, constructions et infrastructures collectives |
| Environnement |
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Moyens de production et de gestion de l’énergie Moyens de locomotion |
| Santé |
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Moyens de locomotion |
Mobilité |
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| Protection |
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| Assistance au développement |
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3.4 - Une approche concourante mais non séquentielle
La progression pédagogique vise à développer les connaissances et les capacités aux niveaux (A, B, C) spécifiés dans le programme.
Il convient de planifier une progression annuelle qui développe au sein des séquences une ou plusieurs compétences, qui regroupe en un tout cohérent les connaissances et les capacités, en élevant progressivement et simultanément le niveau d’exigence.
Exemple de stratégie pédagogique recommandée
Il ne s’agit pas de réaliser une progression segmentée, qui installerait l’une après l’autre les compétences en multipliant le nombre de séances pour accroître le niveau comme illustrée dans le tableau ci-dessous.
Stratégie pédagogique à éviter
3.5 - Les contraintes d’antériorité entre les séquences
Les séquences ne sont pas toutes indépendantes, ne serait ce que pour permettre d’acquérir les capacités au niveau demandé (A, B ou C). Plusieurs séquences peuvent viser l’acquisition d’une même compétence et donc des connaissances et capacités qui la composent. Un concept peut être abordé dans une première séquence au niveau A, puis quelques séquences après au niveau B ou C. Le traitement d’une compétence peut requérir la maîtrise d’une autre compétence.
Exemple de contraintes d’antériorité sur les séquences
Exemple : la séquence 3 approfondit la compétence A1, traitée une première fois en séquence 1. La séquence 2 vise le développement de la compétence A3, qui nécessite d’avoir abordée la compétence A1 au moins une fois.
5 - LE PROJET INTERDISCIPLINAIRE
5.1 - Les objectifs du projet interdisciplinaire
Le projet mobilise des compétences pluridisciplinaires, en particulier celles développées en sciences de l’ingénieur, en mathématiques, en sciences physiques-chimiques fondamentales et appliquées, en sciences de la vie et de la Terre, et sollicite des démarches de créativité pour imaginer des solutions qui répondent à un besoin.
Les activités des élèves sont organisées par groupe autour d’une démarche qui consiste à analyser le problème à résoudre, imaginer des solutions, choisir une solution et justifier le choix d’un point de vue scientifique, technologique, socio-économique, formaliser la solution, réaliser tout ou partie de la solution, évaluer les performances de la solution et présenter la démarche suivie.
Les productions attendues peuvent être :
- des justifications scientifiques, technologiques, socio-économiques, etc., validant la solution proposée ;
- des architectures de solutions sous forme de schémas, croquis, blocs diagrammes fonctionnels et structurels ou d’algorithmes ;
- des documents de formalisation de la solution imaginée ;
- des supports de communication ;
- un prototype ou une maquette numérique ou matérielle.
Le projet doit avoir des objectifs limités en nombre et précis dans leurs définitions. En effet, l’intérêt du projet sur le plan pédagogique tient dans le fait que l’élève puisse atteindre ces objectifs en autonomie. Le périmètre du projet ainsi que les attentes doivent être volontairement limités en tenant compte du temps consacrés à l’étude.
Dans la mesure du possible, l’équipe de professeurs cherche à associer les élèves à la recherche de thématiques de projet en favorisant l’émergence de leur intérêt.
Les mathématiques et les sciences physiques apportent des outils mobilisables pour l’analyse, la modélisation et la résolution de problèmes. Au-delà de l’utilisation de ces outils, les thématiques retenues croisent nécessairement des aspects pluridisciplinaires qui peuvent être empruntés aux mathématiques, aux sciences physiques et chimiques, aux sciences de la vie et de la Terre. Elles peuvent également inviter des contenus liés aux humanités.
Les domaines concernés sont nombreux, par exemple ceux touchant aux enjeux planétaires contemporains et aux questions d’économie d’énergie, à l’assistance aux personnes et la compensation du handicap, aux structures et leur intégration dans l’environnement, à la transmission et stockage de l’information. Ces exemples ne sont pas exhaustifs.
Dans le cadre du projet interdisciplinaire, la dimension mercatique n’est pas intégrée. Seule la notion de coût peut être éventuellement prise en compte dans la définition des contraintes. Dans le cas de réalisation de supports numériques (par exemple une maquette virtuelle ou un programme) qui ne génèrent pas d’investissements liés à l’achat de constituants matériels, la notion de coût peut-être liée au temps de développement et à l’utilisation des outils informatiques mobilisés.
« Un projet est une organisation temporaire spécifique mise en œuvre dans le but d’obtenir un nouveau produit, un nouveau service, une nouvelle organisation, etc., ce qui constitue l’objet3 ou le résultat du projet »4.
La démarche de projet doit permettre aux élèves de formuler des hypothèses, d’expérimenter sans craindre de se tromper. Les erreurs, les hésitations, les fausses pistes font partie intégrante de la recherche scientifique. Le professeur doit veiller à ce que l’élève confronte ses hypothèses à l’observation du réel et propose des améliorations à son analyse. Avec cette aide du professeur, les erreurs peuvent être bénéfiques en rendant les élèves prudents par rapport à leurs propres résultats et en développant leur esprit critique.
Les enseignants sont responsables du suivi pédagogique du projet pour diriger, organiser, planifier, en tenant compte des contraintes qui leurs sont imposées.
Ils sont en charge de la rédaction d’un document de cadrage5 du projet établi afin de clarifier les enjeux, les contraintes, les objectifs et le périmètre d’intervention.
Le document de cadrage du projet contient :
- la description du contexte dans lequel l’objet du projet va être intégré ;
- les fonctionnalités de cet objet ;
- le contenu (caractéristiques fonctionnelles et techniques) ;
- les contraintes.
[3] Le terme «objet » est à considérer dans son acception la plus large, comme désignant ce à quoi est consacrée l’activité de projet
[4] D’après l’AFNOR référence FD X50-118 septembre 2005 et NF E01-005 août 2010
[5] Document de cadrage en Annexe 1
5.4 - Les grandes phases du projet
5.4.1 - La phase d'initialisation
Lors de cette étape, les élèves focalisent leur attention sur un besoin à satisfaire. Ils définissent alors les objectifs précis du projet, qui aura pour finalité de répondre à ce besoin. Une recherche des solutions existantes est conduite dans une démarche de veille scientifique et technologique.
Une analyse de faisabilité établit :
- l’inventaire des ressources matérielles et documentaires disponibles ou celles qui sont mobilisables ;
- l’inventaire des contraintes environnementales, de coût éventuel, de calendrier ;
- une planification des tâches à réaliser, une répartition de ces tâches et la constitution des groupes d’élèves en charge de les réaliser.
L’étude de faisabilité se conclut par la décision d’abandonner ou de poursuivre le projet. L’identification du besoin, les opportunités et les moyens attribués au projet, la répartition des élèves en groupes et le travail confié à chacun d’eux seront résumés dans la note de cadrage, rédigée par les professeurs. Ils établissent une planification des tâches à réaliser et mettent en place des outils de travail collaboratif.
Il est important de bien évaluer le travail nécessaire à l’accomplissement du projet afin de veiller à ne pas mobiliser les élèves sur un volume horaire qui dépasserait les 70 heures imparties et réduirait le temps consacré au reste du programme et à la préparation de l’examen. Dans cette perspective, l’objet du projet doit rester modeste.
5.4.2 - La phase de préparation
Lors de cette phase, le cahier des charges fonctionnel est élaboré entre les élèves et les professeurs. Il précise :
- les résultats attendus en termes de contraintes et de performances ;
- les critères d’appréciation et les niveaux des fonctions de service à réaliser.
Les élèves recherchent des solutions pour répondre au besoin défini au cahier des charges. Les professeurs les aident à imaginer des solutions innovantes et réalisables.
Les outils de simulation sont largement utilisés lors de cette étape. Ils permettent de visualiser les solutions, de simuler leurs performances et de prédire si elles satisferont le cahier des charges fonctionnel.
Des essais peuvent être réalisés pour appréhender le comportement de telle ou telle partie de la solution envisagée, tester une architecture fonctionnelle, effectuer des mises au point d’algorithmes, de prototypes ou de maquettes.
À la fin de la phase de préparation, une évaluation est menée.
5.4.3 - La phase de réalisation
Les élèves d’un même projet sont amenés à choisir de manière collégiale une solution parmi toutes celles proposées.
Les élèves développent et mettent en œuvre la solution qu’ils ont retenue. Ils testent ses performances pour vérifier sa capacité à satisfaire le besoin initial. Cette solution prend en compte les décisions qui ont été prises lors de l’étape précédente, à l’issue des résultats de simulation et des tests sur les programmes, les prototypes ou les maquettes.
Les élèves peuvent intégrer à la solution qu’ils proposent des éléments fonctionnels, numériques ou matériels, qu’ils n’auront pas élaborés ou réalisés eux-mêmes.
Des modifications de la solution initialement prévue peuvent être mises en œuvre pour améliorer les performances ou répondre à une modification a posteriori du cahier des charges.
À la fin de la phase de réalisation, une évaluation est menée.
Lors de cette étape, les élèves mettent au point une série de documents multimédias qui résument leur travail. Ils les utilisent pour présenter le contexte de leur projet, les différentes actions qu’ils ont menées et les principaux résultats obtenus. Cette présentation leur permet d’expliquer leur démarche collaborative et la manière dont ils ont mis en place le travail du groupe. Cette phase clôture le projet.
À la fin de la phase de clôture, une évaluation est menée.
5.5 - L’évaluation du projet au cours de son déroulement
L’activité de projet laisse de l’autonomie aux élèves pour une démarche d’exploration, et d’investigation. Elle implique des tâtonnements, voire des échecs, dont les élèves se servent pour écarter des éléments de solutions. Cela a également une incidence sur l’évaluation qui est menée sur le projet. Ainsi, le système de notation doit chercher à valoriser la démarche.
Dans le cas où un projet a donné lieu à la matérialisation d’une solution, il ne s’agit en aucun cas d’évaluer la réalisation vis-à-vis de sa conformité à des règles de l’art. L’objectif du projet réside dans l’apprentissage de l’autonomie, dans la capacité à développer des propositions créatives et originales, dans le réinvestissement et le renforcement des connaissances et des capacités pluridisciplinaires.
5.5.1 - Évaluation de la phase de préparation
Elle porte sur l’appréhension du besoin fonctionnel, l’identification des solutions existantes, l’étude de faisabilité, la proposition de solutions innovantes et la prédiction des performances à partir de moyen de simulation ou d’essais.
5.5.2 - Évaluation de la phase de réalisation
Elle porte sur la capacité du groupe à justifier la solution retenue, à organiser et conduire le développement et la mise en œuvre de cette solution, à illustrer les performances du programme, du prototype ou de la maquette pour répondre au besoin fonctionnel.
5.5.3 - Évaluation de la phase de clôture
Elle porte sur la capacité du groupe à produire des ressources, à choisir et utiliser des outils de communication adaptés pour replacer la réalisation dans son contexte pluridisciplinaire, montrer les écarts entre les performances attendues au cahier des charges, celles obtenues par simulation, celles finalement mesurées sur le prototype ou la maquette.
5.6 - L’organisation du projet interdisciplinaire
Le projet occupe un volume horaire de soixante dix heures. Les élèves sont encadrés par leurs professeurs : un professeur de sciences de l’ingénieur et un ou plusieurs professeurs des disciplines scientifiques ou encore des disciplines de l’enseignement commun. Les groupes sont constitués de deux à cinq élèves. Chaque groupe conduit son propre projet, ou participe à une partie d’un projet plus large mobilisant plusieurs groupes.
L’équipe de professeurs organise librement le calendrier de mise en œuvre du projet interdisciplinaire. Une organisation hebdomadaire répartissant l’activité de projet sur 35 semaines n’est pas recommandée. Il est au contraire préférable de retenir une organisation qui favorise une dynamique de projet et regroupe les activités sur un temps plus court, spécifiquement dédiées au projet, par exemple sur un semestre.
Une plage horaire commune doit être proposée aux professeurs encadrant les projets. Cela permet d’organiser des moments de consultation entre les enseignants en dehors de la période de projet, indispensable pour l’élaboration puis le suivi de l’activité.
Exemple d’organisation horaire possible pour le projet interdisciplinaire
Les équipes pédagogiques sont autonomes dans l’organisation de l’enseignement de projet. Les professeurs, encadrant le projet, interviennent conjointement.
Exemples d’organisation avec 3 projets dans une classe
Les enseignants sont responsables du suivi pédagogique du projet. Ils dirigent les travaux des groupes, les organisent et les planifient en fonction des contraintes qui leur sont imposées.
L’organisation conjointe des enseignements doit pouvoir s’adapter avec souplesse aux besoins pédagogiques des élèves et à l’avancement du projet. Une séquence de projet peut intégrer plusieurs modes d’intervention des professeurs lors d’une séance.
Exemples possibles d’organisation des interventions interdisciplinaires :
- les professeurs interviennent simultanément sur la séance ;
- les professeurs interviennent simultanément sur une partie de la séance de façon à recouvrer leurs contributions ;
- les professeurs interviennent séparément sur la séance.
Organisation du Projet interdisciplinaire
Compétence : être compétent, c’est pouvoir mobiliser un ensemble intégré de connaissances, de capacités, de comportements pour résoudre des situations problèmes dans un contexte imposé.
Ressources : c’est un ensemble de connaissances, capacités, comportements. Ces ressources peuvent être internes (possédées par l’élève) ou externes (disponibles sur une base de connaissances ou un réseau).
Situation problème : c’est une situation didactique crée par l’enseignant pour permettre à l’élève d’être acteur de sa formation, l’élève doit construire son savoir, ses connaissances. L'objectif pédagogique visé par une situation problème est toujours le franchissement d'un obstacle par l'élève. Dans le contexte d’un enseignement de sciences de l’ingénieur, la situation problème sera fortement corrélée avec le processus destiné à donner du sens à travers le triptyque questions sociétales, problématique, problèmes techniques.
Une situation aura le label de situation problème :
- si au départ l'élève n'a pas les instruments de la résolution (sinon elle devient une situation de réinvestissement) ; c'est le besoin de résoudre qui doit conduire l'élève à élaborer ou à s'approprier les instruments de la résolution ;
- si la difficulté est suffisamment résistante pour que l'élève mobilise ses connaissances et ses représentations afin de remettre en cause certaines et d'en construire d'autres ;
- si la difficulté n'apparaît pas à l'élève comme insurmontable.
Séance : c’est l’unité élémentaire de formation dont la durée peut aller de 1 à 4 heures connexes, elle peut être en classe entière ou en groupe à effectifs réduits. Elle peut être encadrée par un ou plusieurs enseignants (cas des travaux interdisciplinaires). Elle se déroule dans un lieu unique relatif au groupe envisagé (classe entière ou groupe à effectifs réduits), la salle de classe, le laboratoire de SI ou de physique, visite extérieure à l’établissement.
Séquence : c’est un ensemble de séances, pas obligatoirement connexes, liées par un principe d’organisation : les élèves apprennent la même chose, sur des systèmes qui peuvent être différents en réalisant des activités qui peuvent aussi être différentes. Une séquence doit posséder son propre dispositif de structuration des connaissances (cours en démarche déductive, synthèse en démarche inductive), un dispositif d’évaluation (diagnostic en entrée si nécessaire, formative pendant et sommatif après le processus de formation). Il peut y avoir plusieurs séquences qui traitent des mêmes compétences, dans ce cas, on peut distinguer une séquence de découverte, d’approfondissement, etc.
Activités : ce que fait l’élève pendant la séance pour atteindre les objectifs fixés, acquisition de connaissances et de capacités. Exemple d’activités : prendre une mesure, identifier une structure, caractériser une fonction, simuler le comportement, valider une solution, mettre en œuvre le système, prendre des notes, présenter au groupe, …
Modalité pédagogique : une modalité pédagogique est une approche didactique particulière, choisie par l’enseignant et proposée aux élèves en fonction des connaissances visées et des conditions de formation. Les modalités pédagogiques sont, soit transmissives (à partir du savoir transmis du professeur), soit behavioristes (réponse concrète à un problème posé), soit constructivistes (à partir d’un besoin exprimé des élèves et de découvertes faites pour y répondre), ou basées sur la démarche déductive (du général au particulier) et inductive (du particulier au général).
Démarche déductive : on part du cas général vers le cas particulier. L’organisation classique se décompose selon les phases : cours - une ou plusieurs études de cas (d’application) - évaluation sommative. Le fil rouge de la séquence est la problématique qui prend appui sur un thème sociétal. Dans ce cas, les élèves apprennent la même chose, mais peuvent réaliser des activités différentes sur des systèmes différents.
Démarche inductive : on part du cas particulier vers le cas général. L’organisation classique se décompose selon les phases : une ou plusieurs études de cas - restitution - leçon de synthèse - évaluation sommative. Avec cette démarche, il faut viser un nombre réduit d’objectifs pédagogiques. Le fil rouge de la séquence est la problématique qui prend appui sur un thème sociétal. Il faut choisir les activités compatibles avec ces objectifs et les contraintes organisationnelles et matérielles. Le projet interdisciplinaire et les mini-projets font parties des modalités pédagogiques et didactiques de la démarche inductive.
Modèle transmissif : modèle centré sur le maître qui transmet son savoir.
Modèle behavioriste : modèle qui repose sur l’entraînement. Il s’intéresse plus aux entrées/sorties qu’aux processus mentaux. La méthode est simple : élaborer des situations pour obtenir certains comportements de l’élève (logique de conditionnement). L’enseignant doit sortir de son discours, pour s’intéresser à l’élève. Il doit créer des objectifs intermédiaires des situations de remédiations.
Modèle constructiviste : modèle élaboré à partir d’un besoin exprimé des élèves et de découvertes faites pour y répondre ; les connaissances se construisent dans un certain ordre et à condition que le milieu fournisse les stimulations nécessaires. Ce modèle concerne la pédagogie dite de la construction.
Démarche d'investigation : démarche inductive qui s’applique à tous les domaines scientifiques. C’est la démarche pratiquée au collège et en classe de seconde dans les enseignements d’exploration. C’est un ensemble d’actions et de réflexions qui vise à observer le comportement, le fonctionnement, la constitution d’un produit, à rechercher des informations et à identifier les solutions retenues ainsi que les principes qui les régissent.
Démarche de résolution de problème technique : démarche inductive qui s’applique à tous les domaines scientifiques. Elle met en œuvre des méthodes formalisées, même si elle peut aussi intégrer le concept de démarche d'investigation. C’est un ensemble structuré de réflexions et d’actions visant à partir de l’expression du problème technique identifié :
- à l’expliciter ;
- à identifier les contraintes et les hypothèses qui y sont associées, le niveau de réponse attendue et les types de résolution possibles (lois règles, outils, méthodes et organisation, …) ;
- à appliquer les méthodes de résolution ;
- à comparer les résultats afin de faire un choix justifiable.
Évaluation diagnostique : évaluation qui a pour objectif principal de permettre aux enseignants d’observer les compétences et d’apprécier les réussites, ainsi que les difficultés éventuelles des apprenants, considérés individuellement, à un moment précis de leur apprentissage. Elle leur fournit ainsi des repères pédagogiques pour organiser la suite des apprentissages.
Évaluation formative : évaluation entièrement intégrée à l'apprentissage. Elle intervient avant, pendant et après le cursus de formation. Centrée sur l'élève, elle mesure ses résultats en fonction d'objectifs opérationnels. Elle indique également à l’enseignant comment se déroule son programme pédagogique et quels sont les obstacles auxquels il se heurte.
Évaluation sommative : évaluation qui s’effectue en fin d’apprentissage. Elle permet d’estimer les connaissances acquises de l’apprenant, d’en faire un inventaire. Elle peut permettre également de prendre une décision d’orientation ou de sélection en fonction des acquis, mais aussi de situer les apprenants d’un groupe par rapport aux autres.
Systèmes réel, réel instrumenté, didactisé, simulé : selon les modalités pédagogiques mises en œuvre, les objectifs fixés par le professeur et la nature même des compétences à développer, un choix de type d’équipements est à faire.
On peut distinguer les types d’équipements suivants :
- les systèmes réels distants ou non, des sous-ensembles et des composants industriels - il s'agit d'équipements identiques à ceux que l'on peut retrouver dans une entreprise, chez un particulier ou encore des systèmes en situation réelle de fonctionnement ou de production. II peut s'agir par exemple, d'un équipement grand public, d'organes ou d'éléments réels qui appartiennent à un ensemble ;
- les systèmes réels instrumentés - ces systèmes, matériels ou ouvrages sont des équipements réels qui ont été instrumentés afin de relever en certains points des données chiffrées sur le comportement du système en fonctionnement ;
- les systèmes didactisés - l'exploitation de matériels ou de systèmes réels ne permet pas toujours l'accès aux éléments qui assurent les différentes fonctions (dimensions, encombrement, ...). Le système ou le matériel didactique est un système ou un matériel isolé de son contexte, éventuellement instrumenté, mais mettant en œuvre les éléments ou organes réels de l'équipement industriel ou grand public. Il peut s’agir par exemple d’une direction assistée d’automobile ;
- les systèmes maquettisés - avec ces systèmes ou matériels, il y a un rapport d'échelle, une homothétie avec le matériel réel. Une maquette peut traduire une fonction globale, des données d'entrée, de sortie et de contrôle en termes qualitatifs. Elle peut traduire un processus global de fonctionnement sans pour autant prendre en compte la totalité des phénomènes et des grandeurs physiques du système réel homothétique. Pour un système automatique, la partie opérative peut être maquettisée et la partie commande peut être réelle ;
- les systèmes simulés - dans ce cadre, il s'agit de simulations à partir de logiciels permettant de visualiser le comportement d’un procédé, d’une commande, d’un mécanisme, d’une structure, d’un ouvrage ou encore un mode opératoire, afin d'appréhender le comportement du matériel ou du système et d’en faciliter le paramétrage en réponse à un cahier des charges.
Dans le cadre des objectifs pédagogiques poursuivis, ces différents supports pédagogiques se complètent. S’il est nécessaire de privilégier les supports mettant en œuvre des constituants réels, il n’est pas exclu de faire appel à des systèmes maquettisés pour valider certains comportements. Par ailleurs, les simulations informatiques facilitent l’analyse et la compréhension de systèmes techniques réels présents ou non sur le plateau technique.
De manière complémentaire, le développement de travaux pratiques mettant en œuvre des systèmes en situation réelle avec des liaisons à distance peut également être envisagé.