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Expérimentation assistée par ordinateur




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(par Alexandre Soucisse, chargé de cours en éducation)

Introduction
Principes de fonctionnement
Exemples d'activités utilisant l'ExAO
Coût
Références
Sites Internet à consulter

L'ordinateur est un outil dont il serait difficile de se passer dans de multiples domaines. Le laboratoire et les expérimentations qui s'y produisent font naturellement partie de ces domaines. Et pourtant, quoi que nous utilisions couramment l'ordinateur pour traiter et analyser nos données, il est moins commun de le retrouver dès la phase d'acquisition...

« ExAO »

DAO, CAO, FAO... ExAO ? Après le Dessin, la Conception et la Fabrication assistés par ordinateur, voici le dernier-né des « AO », l'Expérimentation Assistée par Ordinateur.

Un dernier-né... qui n'est né de la dernière pluie ! Les chercheurs et techniciens vous diront qu'en recherche, certains instruments de mesure sont de véritables ordinateurs. Les plus débrouillards savent depuis longtemps que la plupart de ces instruments électroniques sont équipés d'une sortie série destinée au transfert d'informations et à la réception de commandes (le nom technique RS-232 vous dit peut-être quelque chose ?). Ces instruments sont ni plus ni moins que les périphériques d'un ordinateur, comme une imprimante ou un digitaliseur d'images.

Rien de nouveau sous le soleil, si ce n'est que l'ExAO offre les moyens d'implanter l'outil informatique dans toutes les étapes de l'expérimentation et de l'enseignement en laboratoire : de l'acquisition à l'analyse en passant par le traitement des données.

La vague, assez importance en Europe pour l'instant, commence à provoquer un certain ressac par ici. Des professeurs du collégial mettent cette technologie à contribution, dans le cadre des Projets de fin d'études par exemple.

Lors du colloque collégial de l'Association pour l'enseignement de la science et de la technologie au Québec en collaboration avec le Saut quantique, en juin 2003, Igor Orjikh Le-Feuvre, professeur de physique du Cégep du Vieux Montréal, a quant à lui, suscité un débat sur le sujet en posant deux questions dans son atelier : 1) Y a-t-il une nouvelle façon d'enseigner les sciences expérimentales ? Si oui, quelle est cette façon ? 2) Comment le réel et le virtuel, particulièrement en mode « ExAO », peuvent-il s'intégrer dans cette nouvelle façon d'enseigner les sciences expérimentales ? Nous vous invitons à consulter les éléments de la présentation PowerPoint (Attention, le téléchargement risque d'être long, soyez patient !) qu'il a présentés et qui ont nourri cette discussion.

Principes de fonctionnement

Trois éléments fondamentaux composent un système d'ExAO (quatre si nous comptons l'ordinateur !) : les capteurs, l'interface et le logiciel.

Le matériel

- Les capteurs sont les instruments de mesure à proprement parler. À la différence des instruments classiques, les capteurs ne possèdent pas nécessairement de circuits électroniques permettant l'interaction directe de l'utilisateur sur l'instrument (ex. écran d'affichage, bouton de sélection, interrupteurs...). Le capteur produit un signal dont la valeur est proportionnelle à celle du paramètre mesuré.

Ce signal est transmis à l'interface d'acquisition qui retransmet les signaux électrique des capteurs en signaux numériques vers l'ordinateur.

Exemples : pH-mètre, dynamomètre, thermomètre, microvoltmètre, ampèremètre, etc.

- L'interface est l'appareil qui fait le lien entre le ou les capteurs et l'ordinateur. Souvent sous forme de carte enfichable, il peut aussi s'agir de petit appareil qui se branche à l'ordinateur. L'interface peut traduire ou régulariser le signal, selon le capteur et le système utilisé.

Certaines interfaces sont portatives : nous pouvons alors mener des expérimentations sans être reliées directement à un ordinateur. Les données sont par la suite téléversées à l'ordinateur.

L'une des caractéristiques importante d'une interface est sa fréquence d'échantillonnage, mesurée en MHz.

- L'ordinateur. Sauf pour des raisons de compatibilité de l'interface ou du logiciel, à peu près n'importe quel type d'ordinateur (PC XT, AT, 286, 386, 486, pentium, Mac... Commodore 64 !) muni de n'importe quelle plate-forme (DOS, Windows, Mac OS, Linux...) peut servir d'intermédiaire. Évidement, la puissance de l'ordinateur et ses capacités d'affichage graphique feront varier la convivialité de l'expérimentation (cette puissance n'est toutefois pas nécessairement synonyme d'efficacité !).

Les logiciels

Un logiciel adéquat pilote l'interface et permet de traiter les mesures réalisées, notamment sous forme graphique. Il existe une assez grande diversité de logiciels pour l'ExAO. Leurs fonctions ne sont toutefois pas nécessairement équivalentes. Comme il n'existe pas de standards en ExAO à proprement parler, leur interopérabilité n'est pas toujours assurée. La plupart du temps, le logiciel et l'interface utilisés sont interdépendants et sont vendus simultanément. Dans certains cas le logiciel est donné.

Nous pouvons distinguer deux types de logiciels :

- Les spécialistes sont dédiés à un type d'expérimentation déterminé et proposent des procédures prêtes à l'emploi. Les variations de signaux fournies par les capteurs sont directement utilisés par le programme;

- Les généralistes sont conçus pour interagir indépendamment de l'expérience menée. Ils permettent de contrôler l'acquisition des résultats, quels que soient les capteurs utilisés et les manipulations réalisées. Les résultats sont affichés de manière plutôt brute à l'écran.

Exemples d'activités utilisant l'ExAO

Voici quelques exemples d'activités utilisant l'ExAO grâce à la générosité de professeurs du réseau collégial.

Coffre aux trésors pédagogiques en sciences au collégial, vol. 1 :

Coffre aux trésors pédagogiques en sciences au collégial, vol. 2 :

Étincelles pédagogiques en sciences au collégial, vol. 1 :

Étincelles pédagogiques en sciences au collégial, vol. 3 :

Alice Marcotte, professeure de biologie du Collège Ahuntsic, a présenté des expériences utilisant l'expérimentation assistée par ordinateur avec un oxymètre lors du colloque collégial de l'Association pour l'enseignement de la science et de la technologie au Québec (APSQ) en collaboration avec le Saut quantique en juin 2003. (Pour d'autres exemples, veuillez consulter la page Web d'Alice Marcotte.)

Physique : ORPHY et protocoles de laboratoire (charge et décharge d'un condensateur, battement, mouvement rectiligne uniformément accéléré (MRUA), oscilloscope, pendule simple, analyse de Fourier) de François Laporte et Stéphane Laneville du Cégep de Granby Haute-Yamaska.

Les systèmes EXAO offrent plusieurs protocoles en ligne utilisant les systèmes ORPHY PORTABLE et leurs CAPTEURS à reconnaissance automatique. À télécharger en version PDF et/ou Word.

Évaporation et forces intermoléculaires, protocole adapté de Chemistry Labs with computers Teacher’s Guide, PASCO scientific, 1996, par Gilles Sabourin, professeur de chimie au Collège Gérald-Godin).


Par Gilles Sabourin, Collège Gérald-Godin

Cette activité propose de suivre la vitesse de décoloration de la phénolphtaléine en milieu alcalin et la température à l’aide d’un spectrophotomètre relié à un ordinateur. Les élèves interprètent leurs résultats en regard des aspects théoriques présentés en classe et les comparent aux résultats d'un article scientifique en anglais qui traite de cette expérience.

Coût

Contrairement à l'idée générale que nous pourrions nous faire d'un tel dispositif, l'ExAO n'est
pas nécessairement coûteuse :

Si [les interfaces graphiques dernier cri] apportent une meilleure ergonomie, ils ne rendent pas pour autant obsolètes les anciens logiciels qui restent très intéressants car ils permettent de valoriser des machines anciennes inutilisables avec la plate-forme Windows. Une salle dédiée à l'ExAO peut ainsi être installée dans un établissement scolaire à un coût relativement faible en « recyclant » des machines dont personne ne voudrait plus pour les applications bureautiques actuelles. Il n'est donc pas indispensable de posséder des machines très puissantes pour utiliser l'ordinateur comme outil de laboratoire d'autant plus que de nombreux instruments de laboratoire produits au cours des décennies 1970 et 1980 disposent d'une sortie série et de logiciels de pilotage munis d'une interface graphique et souvent performants. (Biologie et Multimédia)

Références

GIROUARD, M, P. NONNON. (1999) La lunette cognitive pour l'acquisition d’un langage graphique de codage, son influence sur l'atteinte d'objectifs terminaux des cours de physique à l'éducation des adultes. Actes du 5e colloque international de robotique pédagogique. FSE, Université de Montréal.

Quelques sites Internet à consulter

Sites Commentaire

Établissement d'enseignement

 

Le Laboratoire de robotique pédagogique
de l'Université de Montréal *

Québec | Site de Pierre Nonnon, Université de Montréal | Nouveautés, historique, formation et description d'expériences.

Page du Projet de fin d'études par Alice Marcotte (Collège d'Ahuntsic) *

Québec | Page d'accueil destinée aux élèves de dernière session en Science de la nature | Description de projets de fin d'études faisant intervenir l'ExAO

Physique : ORPHY et protocoles de
laboratoire
de François Laporte et
de Stéphane Laneville du Cégep
de Granby Haute-Yamaska

Québec | Page Web destinée aux élèves de physique | Description de protocoles de laboratoire utilisant ORPHY | Introduction à l'interface ORPHY GTI, au logiciel Regressi GTI, au module de raccordement pour ORPHY et à l'oscilloscope numérique Tektronix TDS 210

Biologie & Multimédia

France | Informations intéressantes et pratiques

Fournisseurs

Les systèmes ExAO *

Compagnie québécoise qui se consacre au développement de matériel EXAO en collaboration étroite avec les enseignants des collèges et des écoles secondaires. La compagnie est associée au LRP et à la société Micrelec | Produits et services | Capteurs | Logiciels | Formations | Protocoles expérimentaux

PASCO Scientific (fournisseur au Québec :
Merlan Scientific)

États-Unis | Fournisseur de produits | Interface | Capteurs | Logiciels | Protocoles expérimentaux

MICRELEC

France | Fournisseur de produits | Interface Orphy | Capteurs | Logiciels

VERNIER

États-Unis | Fournisseur de produits | Interface | Capteurs | Logiciels | Protocoles expérimentaux

EUROSMART

France | Mesure assistée par ordinateur | Capteurs et logiciel | Démonstrations par vidéo (AVI)

CASSY-LEYBOLD

Allemagne (langues: DE/EN) | Information sur leurs produits | Systèmes | Logiciels | Sciences naturelles et génie.

JEULIN

France | Capteurs | Logiciels

* Sont marqués d'un astérisque les documents qui ont servis de sources à ce dossier.

 

 

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Dernière mise à jour: 27/09/07 16:43