L’impact de l’exploitation du modeleur volumique sur l’apprentissage de la construction mécanique dans la section sciences techniques en Tunisie Ali Jarray Alijar2005@gmail.com Jacques Ginestié jacques.ginestie@univ-amu.fr

L’impact de l’exploitation du modeleur volumique sur l’apprentissage de la construction mécanique dans la section sciences techniques en Tunisie

Résumé

L’enseignement du génie mécanique en classe de terminale, section sciences techniques en Tunisie se déroule dans des laboratoires de technologie équipés d’environ 10 postes informatiques. Chaque poste met à disposition un logiciel de modélisation en trois dimensions (modeleur 3D) mis à la disposition des élèves dès la 3e année d’enseignement secondaire et en terminale. L’enseignement de la conception mécanique s’appuie largement sur la manipulation d’objets en trois dimensions. Pour autant, les objets ou mécanismes ainsi représentés restent limités à de simples outils de présentation, de démonstration ou de manipulation de ces objets ; leur utilisation dans le cadre de nouvelles approches de situations d’apprentissage fondées sur la résolution de problèmes permettant d’envisager plusieurs solutions possibles pour retenir la solution optimale qui intègre le mieux les contraintes liées au cahier des charges est plutôt limitée. Ces possibilités permettraient de développer des stratégies d’apprentissage plus ouvertes, fondées sur la recherche de solutions et permettant à l’élève de s’auto-évaluer tout en réduisant le guidage procédural de l’enseignant et son rôle d’évaluateur normatif. Le modeleur 3D pourrait ainsi jouer un rôle particulier avec un changement social de statut passant de celui d’outil organisant l’activité pédagogique de l’enseignant à celui d’instrument utilisé par l’élève pour résoudre le problème qui lui est posé. Ce rôle est plus conforme à son rôle social en usage dans l’industrie et donc plus proche des attentes de ce secteur professionnel quant aux compétences que ces futurs professionnels doivent acquérir au cours de leur formation. Cette communication présente quelques éléments caractéristiques d’une étude conduite en Tunisie afin d’améliorer la compréhension de ce processus d’acquisition de compétences dans une formation professionnelle.

Mots clés

Tâche d’apprentissage, activité d’apprentissage, outil, instrument, analyse de la tâche, modeleur 3D

Introduction

L’évolution technologique a provoqué des mutations profondes et rapides dans notre société d’aujourd’hui en Tunisie. Il en découle l’intégration de nouveaux outils informatiques dans notre vie et surtout dans nos méthodes d’enseignement- apprentissage. Dans notre système éducatif, l’enseignement de la technologie au secondaire devient de plus en plus important. Il constitue actuellement l’une des composantes principales et permanentes dans la formation des jeunes Tunisiens. Cet enseignement repose essentiellement sur l’étude des systèmes pluritechnologiques. Il aborde le domaine de la conception industrielle et il fait largement appel aux outils informatiques pour modéliser, représenter et étudier des solutions constructives existantes ou conçues, en vue d’une conception ou d’une re-conception de composants de système technique ou de ses sous-systèmes.

De ce fait, l’exploitation de l’outil informatique en DAO (dessin assisté par ordinateur) ou en CAO (conception assistée par ordinateur) pourra avoir des conséquences didactiques en faveur de l’enseignement-apprentissage. Ce medium pourrait devenir un outil très efficace pour remédier aux difficultés des apprenants relatifs aux représentations graphiques. Notre recherche a une portée exploratoire visant à faire évoluer les pratiques enseignantes afin qu’elles proposent des situations problèmes ouvertes, rendues possibles par les applications actuelles en exploitant le modeleur 3D et devraient permettre d’améliorer les apprentissages des élèves.

L’enseignement de la représentation graphique en génie mécanique en Tunisie

L’enseignement du dessin technique en 2D tel qu’il apparaît traditionnellement dans les domaines de la construction mécanique devient obsolète au développement des TIC appliquées à la construction industrielle. L’usage des modeleurs volumiques 3D consacre l’avènement de la réalité virtuelle et offre l’accès à des environnements 3D aux apprenants – Mellet-d’Huart, (2004), Bascoul, (2007) –, ces développements bousculent les méthodes d’apprentissage du dessin technique. Historiquement, il y a un lien fort dans le processus de conception industrielle d’un objet entre les différents modes de représentation de cet objet qui n’existe pas a priori  matériellement, et qui reste à fabriquer. En effet, ces représentations se font selon deux registres principaux : en 2D à travers les règles et normes du dessin technique et en 3D au travers d’objets virtuels construits grâce aux systèmes informatiques de modeleurs. Il s’agit donc de comprendre si ces liens qui existent historiquement dans les fondements de la construction mécanique moderne sont prégnants dans les habitudes des enseignants de génie mécanique et ont un impact sur les logiques d’apprentissage des élèves. Dans ce cadre nous cherchons si la conservation d’un passage par le dessin technique en 2D (avec ses règles et ses normes) par les enseignants de génie mécanique constituerait un obstacle à l’apprentissage des élèves de sections sciences techniques.

La tâche d’apprentissage sous la forme du modèle actuel de l’enseignement de la technologie en Tunisie

Pendant son apprentissage et sa recherche de solutions constructives pour un problème de conception en mécanique, l’élève de la 4e année sciences techniques n’établit pas une relation cognitive donnant ainsi une capacité d’action pour atteindre un but et s’organiser pendant la tâche mais il suit le cheminement proposé par son enseignant.

Le modèle ci-après (figure 1) représente le cheminement des actions de l’apprenant pour réaliser une activité de recherche et la représentation de solutions technologiques en conception mécanique. L’apprenant ne sent aucune action de déséquilibre le long de la tâche qu’il réalise. Il réalise son activité en parfaite monotonie et avec une linéarité.

Figure 1 Modèle 1 cheminement des actions d’apprentissage, situation actuelle

Nous remarquons dans cette itérative qu’il y a souvent une intervention de guidage par l’enseignant et ce qui se traduit d’une part, par la recherche de « la solution » au problème posé et d’autre part, par l’évaluation qui se fait toujours  par l’enseignant. Ce que nous proposons de mettre en place c’est un modèle où l’outil « modeleur 3D » participe à donner plus d’autonomie à l’apprenant pendant la recherche des solutions et à créer une boucle lui favorisant même l’autoévaluation. La figure 2, ci-dessous, représente le modèle 1 vu précédemment avec l’intégration de l’outil modeleur 3D et la boucle qu’il créera pendant la recherche des solutions.

Figure 2 Modèle 2 d’apprentissage en présence de l’outil modeleur 3D

Pour opérationnaliser cette boucle nous envisageons une relation entre l’élève et l’objet technique qui part de la représentation à l’aide du modeleur 3D comme outil de CAO-DAO avec son propre statut social et le rendre, une fois intégré dans la tâche, un instrument permettant ainsi à l’élève de trouver plusieurs solutions au problème qui lui est posé (voir les figures ci-dessous).

Figure 3 Nature de l’outil ou l’objet prend le statut de l’outil

Figure 4 Nature de la relation élève/objet

Cette relation nous a permis de passer par l’objet en 3D de son statut d’outil à un autre statut d’instrument favorisant les apprentissages en autonomie et surtout la recherche de solution à un problème posé en génie mécanique.

Méthodologie

Notre expérimentation est constituée essentiellement de la réalisation d’une activité tirée du manuel d’activités scolaires de génie mécanique des classes terminales en section sciences techniques en Tunisie. Il s’agit donc de comprendre si les liens qui existent historiquement dans les fondements de la conception industrielle sont prégnants dans les habitudes des enseignants de génie mécanique en présence des équipements modernes en informatique et ont un impact sur les logiques d’apprentissage des élèves. Dans ce cadre nous cherchons si la conservation d’un passage par le dessin technique en 2D (avec ses règles et ses normes) par les enseignants de génie mécanique constituerait un obstacle à l’apprentissage des élèves de sections sciences techniques. De la même façon, les organisations scolaires traditionnelles mises en œuvre par les enseignants à propos du dessin technique en 2D induiraient-elles un guidage conduisant les élèves vers une solution prédéfinie, limitant ainsi les potentialités d’investigation d’autres solutions possibles et si les organisations scolaires fondées sur l’utilisation des modeleurs 3D sont construites autour de problèmes ouverts conduiraient-elles aussi les élèves à investiguer  plusieurs solutions possibles à un même problème de conception mécanique. Notre recherche a une portée exploratoire visant à faire évoluer les pratiques enseignantes afin qu’elles proposent des situations problèmes ouvertes, rendues possibles par les applications actuelles du modeleur 3D et devraient permettre d’améliorer les apprentissages des élèves. Nous proposons à ces élèves une activité qui renferme quatre sous-tâches (ST1, ST2, ST3 et ST4). Notre analyse s’intéresse aux résultats recueillis dans les documents papier réalisés par les quatre enseignants et par les 113 élèves et qui concernent les quatre sous-tâches proposées aux élèves (ST1, ST2, ST3 et ST4). Ces sous-tâches concernent respectivement les tâches suivantes :

• Chercher le type de montage de roulement dans un mécanisme réel de réducteur de vitesse, s’agit-il d’un arbre tournant ou d’un moyeu tournant ?
• Chercher le type de montage de roulement dans un mécanisme réel du réducteur de vitesse, s’agit-il d’un arbre tournant ou d’un moyeu tournant ?
• Proposer et représenter graphiquement sur un schéma incompletle maximum de solutions possibles pour la réalisation d’une liaison pivot (guidage en rotation) de l’arbre de sortie du réducteur proposé précédemment. Il s’agit de mettre des symboles d’arrêt en translation aux alentours des deux
• Compléter la représentation graphique sur un document papier pour trois solutions au choix parmi celles proposées dans la ST précédente. Les solutions assureront la liaison pivot de l’arbre de sortie du réducteur en tenant compte des exigences du cahier des charges

Pour l’étude des réponses obtenues nous avons choisi des critères et leurs indicateurs qui sont apparus dans l’analyse a priori de la tâche selon le registre cognitif, épistémologique et social. Toutes les solutions supposées possibles et les critères apparus dans l’analyse de la tâche, nous ont amené à déterminer quatre niveaux (N1, N2, N3 et N4) pour l’analyse des résultats de l’activité réalisée par les élèves. La classification de ces quatre niveaux est faite selon ce que l’élève peut faire comme suite d’actions servant de moyen pour atteindre la ou les solution(s) qui sont les schèmes procéduraux (SP), et l’ancrage social des schèmes généraux et les schémas sémiotiques (SS). Ce qui donne le tableau suivant (tableau 1).

Tableau 1 : Tableau des différents niveaux N1, N2, N3 et N4 

Nous avons proposé la même activité à quatre enseignants d’une expérience avec les classes terminales variant de 6 à 10 ans. D’abord, l’activité a été proposée aux enseignants pour donner leur avis concernant son contenu, sa conformité avec les programmes officiels, son adaptation avec les niveaux des classes et le temps qui lui est alloué. Ceci a été fait par une simple interview de chacun d’eux.

Puis, la même activité a été réalisée par ces quatre enseignants et par 113 élèves de 4 classes différentes appartenant à 4 lycées éloignés l’un de l’autre dans le commissariat régional de Tataouine (Sud tunisien). Les 113 élèves l’ont réalisé sans utiliser le modeleur 3D. Parmi ces élèves, six d’entre eux ont été repérés par leur enseignant (deux bons éléments, deux moyens et deux très moyens d’après leurs moyennes en mécanique au 1er et au 2e trimestre). Ces six élèves ont réalisé le même travail qui leur a été proposé pendant la première activité, mais en présence du modeleur 3D. Ces élèves maîtrisent bien ce logiciel depuis deux ans

Recueil et analyse des données

Résultats des réponses des enseignants

Nous avons recueilli toutes les productions sur les documents papier des élèves et des enseignants. Nous avons analysé les réponses des quatre enseignants et ceci nous a permis d’identifier les niveaux des enseignants bien qu’au départ nous les avons supposés tous du niveau N4. Le tableau suivant montre le niveau de chacun des 4 enseignants d’après la même grille d’analyse utilisée pour les élèves.

Tableau 2 : Niveau pour chaque enseignant

 Les enseignants E1 et E2 sontapparus du niveau N4 alors que les enseignants E3 et E4 sont du niveau N3, ceci s’explique par le fait que ces deux derniers enseignants se limitent aux solutions proposées dans les manuels scolaires sans tenir compte des diverses solutions de l’industrie et qui remplissent bien les exigences du cahier des charges. Ceci laisse les élèves limités dans leurs recherches et ils n’investissent pas leurs connaissances pour chercher d’autres solutions valides et pouvant prouver de leur créativité.

Résultats des réponses pour les quatre sous-tâches proposées aux élèves

Sous-tâche 1

Nous avons recueilli les documents-réponse des 113 élèves et des six élèves. La sous- tâche (ST1) consiste à chercher le type de montage de roulement dans un mécanisme réel de réducteur de vitesse, s’agit-il d’un arbre tournant ou d’un moyeu tournant ?

Le tableau suivant présente les résultats qui sont les nombres des élèves selon leur niveau pour chacun des enseignants E1, E2, E3 et E4

Tableau 3 : La répartition des élèves pour la ST1 selon leur niveau et leur enseignant

Ces résultats montrent qu’il n’y a pas de différence statistiquement significative entre les variables. En effet, X² calculé est inférieur à X² théorique, pour un p= 0.01 et dll = 9. Ceci est dû au type de la ST qui fait appel généralement à la culture technologique qui est souvent un manque aux élèves et où le niveau des enseignants n’influe pas sur le niveau des élèves.

Sous-tâche

La sous-tâche (ST2) consiste à faire une lecture et une analyse d’un dessin technique présenté sur un document papier qui représente le montage de roulement d’une partie du réducteur. Il est demandé d’expliquer pourquoi ce montage semble incorrect. Le tableau suivant présente les résultats qui sont les nombres des élèves selon leur niveau pour chaque enseignant.

Tableau 4 : La répartition des élèves pour la ST2 selon leur niveau et leur enseignant

Ces résultats montrent qu’il y a une différence statistiquement significative entre les variables qui sont le niveau des élèves et les enseignants. En effet, X² calculé = 19.549 est supérieur à X² théorique = 16.918, pour un p= 0.05 et dll = 9. Dans cette sous-tâche, le niveau des enseignants influe sur le niveau des élèves parce que les réponses sont en fonction de ce que les enseignants ont proposé à leurs élèves comme outils d’analyse et là on remarque qu’il y a vraiment un guidage. Seuls les enseignants E1 et E2 ont eu quelques élèves qui ont atteint le niveau N4.

Sous-tâche 3

La sous-tâche (ST3) consiste à proposer et à représenter graphiquement sur un schéma incompletle maximum de solutions possibles pour la réalisation d’une liaison pivot (guidage en rotation) de l’arbre de sortie du réducteur proposé précédemment. Il s’agit de mettre des symboles d’arrêt en translation aux alentours des deux roulements. Le tableau suivant présente les résultats. Ce sont les nombres d’élèves selon leur niveau pour chaque enseignant.

Tableau 5 : La répartition des élèves pour la ST3 selon leur niveau et leur enseignant

Ces résultats montrent qu’il n’y a pas une différence statistiquement significative entre les variables qui sont le niveau des élèves et les enseignants. En effet, X² calculé = 15.181 est supérieur à X² théorique = 16.918, pour un p= 0.05 et dll = 9. Dans cette sous-tâche le niveau des enseignants n’influe pas sur le niveau des élèves parce que les réponses attendues sont sous forme de schéma cinématique, qui restent très abstraites et conceptuelles et il s’agit fondamentalement de mettre 6 symboles de l’arrêt en translation de deux éléments du mécanisme dans 8 endroits éprouvés sur un schéma incomplet. Ceci peut être aussi la conséquence du guidage que l’enseignant met en place pour ses élèves lors des apprentissages.

Sous-tâche 4

La sous-tâche (ST4) consiste à compléter la représentation graphique sur un document papier pour trois solutions au choix parmi celles proposées dans la ST précédente. Les solutions assureront la liaison pivot de l’arbre de sortie du réducteur en tenant compte des exigences du cahier des charges fonctionnel. Le tableau suivant présente les résultats qui sont les nombres des élèves selon leur niveau pour chaque enseignant.

Tableau 6 : La répartition des élèves pour la ST3 selon leur niveau et leur enseignant

Ces résultats montrent qu’il y a une différence statistiquement significative entre les variables qui sont le niveau des élèves et les enseignants. En effet, X² calculé = 20.242 est supérieur à X² théorique = 16.919, pour un p= 0.05 et dll = 9. Dans cette sous-tâche le niveau des enseignants influe sur le niveau des élèves parce que les réponses attendues sont des solutions variées et qui peuvent être nombreuses. C’est là où la créativité et l’originalité des solutions apparaissent comme un handicap pour l’apprentissage. Ceci dépend des habitudes des enseignants à l’égard de leurs élèves et s’ils les poussent à investir leurs acquis pour chercher à optimiser leurs solutions et en chercher le maximum possible et ça prouve bien ce que nous avons supposé au début.

Conclusion

L’utilisation de l’outil modeleur 3D pour la représentation des objets en trois dimensions donne à l’élève une capacité d’élaboration de plusieurs solutions nouvelles et variées. L’élève se trouve dans une situation d’autoévaluation sans faire appel à son enseignant qui paraît souvent le seul responsable d’évaluer le travail de son élève et parfois de l’amener à la solution qu’il a supposée juste et ainsi limitant son investigation donc sa créativité. Contrairement à ce qu’on croit souvent, les enseignants ne sont pas forcément des experts pour réaliser une activité proposée dans le manuel scolaire. Certains d’entre eux se limitent à des solutions dites classiques et/ou basiques. Ceci pourrait induire une limitation dans le nombre de solutions à un problème technologique de génie mécanique. En conclusion, la créativité et le nombre de solutions à un problème posé en génie mécanique reposent sur l’exploitation du modeleur 3D qui fait passer l’objet d’un simple outil à un instrument, et qui donne à l’élève une autonomie pendant son apprentissage et pendant l’évaluation de sa production. Ceci mérite de vérifier encore si les enseignants s’engagent facilement à favoriser l’exploitation de cet outil dans son nouveau statut en le liant davantage à l’industrie où à l’investigation.

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