Vision spatiale, représentations préalables et appréhension de simulations numériques en conception mécanique Sylvain Luc Agbanglanon luc.agbanglanon@ucad.edu.sn

Résumé

L’utilisation des maquettes numériques en 3 dimensions dans la conception mécanique a été questionnée dans ce travail ; plus précisément la qualité des productions d’apprenants basées sur de tels supports numériques ou simulations de systèmes réels. À partir d’une représentation volumique animée d’un système mécanique et sur la base de productions écrites et graphiques de dix-sept étudiants de niveau licence, relativement à leur compréhension du fonctionnement dudit système et des relations cinématiques entre ses différents constituants, il a été constaté le fait que le caractère animé et iconique de la présentation ne conditionnait pas à lui seul la construction de connaissances et la qualité des productions en lien avec le système représenté. Entrent en jeu également la capacité de vision spatiale et les représentations préalables dudit système.

Mots clés

Simulation numérique, vision spatiale, représentations préalables, conception mécanique

Introduction

De nouvelles perspectives d’un usage accru de ressources numériques de manière générale et en particulier des maquettes numériques en 3 dimensions (3D) s’ouvrent à la conception mécanique en raison de l’introduction croissante de l’informatique dans les activités d’apprentissage. L’usage de ces simulations cognitives ou simulations de situations de travail dites opératoires (Béguin et Pastré, 2002 ; De Jong et Van Joolingen, 1998) appelle un recentrage de l’apprentissage sur l’activité des apprenants, y compris celle cognitive. La lecture de dessins techniques relève d’une activité cognitive complexe et pluraliste requérant la mobilisation de plusieurs registres : géométrique, technologique et des codes (Weill-Fassina, 1973 ; Weill-Fassina et Rabardel, 1985 ; Rabardel, 1989). Ainsi, les représentations en 3 dimensions, reconnues comme des objets intermédiaires et médiateurs (Geronimi, De Vries, Prudhomme et Baille, 2005) et semblant, avec un fort degré d’iconicité, lever l’obstacle géométrique, influent sur le niveau de compréhension du système représenté (Cartonnet et Poitou, 1996 ; Hamon, 2009). Dans ce cadre, l’expérience du sujet a aussi un effet positif (Cartonnet et Poitou, 1996). En plus de cette expérience capitalisée qui confère au lecteur une certaine maîtrise des codes et des technologies, ses capacités mentales spatiales ont été questionnées pour en montrer la portée dans la lecture des représentations graphiques techniques et la réussite dans les domaines scientifiques et techniques (Sorby, 2009 ; Sorby et Veurink, 2010 ; Study, 2011 ; Veurink et al., 2009). La complexité de l’activité cognitive à laquelle fait appel l’apprentissage d’instruments sémiotiques de communication technique nécessite, afin de lui donner du sens, la mise en avant d’une approche fonctionnelle contextualisée (Andreucci, Froment et Verillon, 1996) s’appuyant sur les affordances perçues des systèmes représentés (Norman, 2002).

À la lumière de ce qui précède, il convient alors de considérer l’influence qu’aurait le visionnage d’animations numériques 3D par des apprenants et leur capacité de vision spatiale sur la qualité et le niveau de compréhension du fonctionnement des systèmes mécaniques. Se pose alors, avec acuité, la question des pratiques didactiques dans ce contexte d’introduction de nouveaux outils et la pertinence ou non de leur donner de nouvelles orientations et d’en interroger les effets.

Les apports non négligeables des représentations de type volumique dans la connaissance des systèmes représentés ont été établis. Pouvons-nous conjecturer que les maquettes animées le font d’autant mieux ? La mise à contribution de maquettes numériques 3D animées dans les activités d’apprentissage en construction mécanique, contribue-t-elle à améliorer la qualité des productions décrivant le fonctionnement des systèmes mécaniques représentés ?

Sur la base de représentations animées en 3 dimensions, quelle est l’influence de la capacité de vision spatiale sur les productions d’apprenants visant à décrire le fonctionnement de systèmes mécaniques, notamment en ce qui concerne les relations cinématiques ? Les résultats aux tests de vision spatiale sont-ils liés à la qualité de ces productions ?

Référents théoriques

Les liens établis par la sémiotique etles théories de la communication entre les systèmes symboliques/sémiotiques, les représentations matérielles et les représentations cognitives (Jaillet, 2006), de même que la dimension sémiocognitive que revêt la médiation opérée par les représentations graphiques (Peraya et Meunier, 1999), les images et la construction des connaissances (Darras, 2001), constituent une source

importante d’éclairages pour notre étude. La connaissance d’une chose, d’un être ou d’une situation consistant à en avoir une représentation iconique (Meunier, 1998), cet aspect guide l’abord de la question étudiée sous l’angle du degré d’iconicité des représentations des systèmes mécaniques notammentleur caractère spatial etanimé. En outre la présence, malgré tout, de code dans les images qui en semblent dépourvues et leur caractère polysémique (Peraya, 2006), explique le fait que nous explorions les difficultés de compréhension d’animations en 3 dimensions et les erreurs dans des productions basées sur ces représentations animées. Cette direction est également prise en référence à Rabardel (1982) qui juge importante l’influence des représentations préexistantes sur la compréhension des dessins industriels, précisément sur les obstacles à la compréhension qu’elles peuvent constituer.

L’appréhension de la question sous l’angle des erreurs et des difficultés de compréhension et le recours, dans notre démarche, aux entretiens visant à recueillir les représentations des sujets s’adossent autant à l’approche écologique Gibsonienne de la perception (Gibson, 1986) pour laquelle l’une ou l’autre affordance des environnements perçus peut être mise en avant selon le sujet qui les perçoit. Aussi, le recours aux tests de vision spatiale répond-il à l’une des perspectives tracées par Weill-Fassina (1973) pour la recherche dans la compréhension des dessins par leurs utilisateurs. L’aspect psychotechnique, en lien avec la capacité de vision spatiale des utilisateurs de dessins techniques, y était identifié comme essentiel.

Méthodologie

Contexte de l’étude

Cette étude a eu lieu dans une école publique d’enseignement supérieur technique et professionnel dépendant d’une université sénégalaise. Cet établissement est chargé, à l’échelle nationale, de la formation des enseignants du niveau moyen et secondaire de l’enseignement technique et professionnel (collèges, centres de formation professionnelle, lycées techniques). Dix-sept étudiants (élèves professeurs), des filières fabrication mécanique et maintenance des véhicules et moteurs du département des sciences et techniques industrielles de cet établissement, se sont prêtés à notre étude. Ils ont tous suivi un cours de construction mécanique essentiellement centré sur la technologie des systèmes mécaniques et l’analyse de ces systèmes.

Recueil de données

Les 17 étudiants participant à cette étude ont préalablement suivi un cours de construction mécanique s’appuyant sur des représentations graphiques planes (dessins et schémas) et présentant toute la théorie dont relèvent les réducteurs de vitesse à trains d’engrenages épicycloïdaux constituant la base des boîtes de vitesses de type Ravigneau. Précisons que, par définition, un engrenage épicycloïdal est constitué de roues dentées (pignons ou couronnes) appelées planétaires dont les axes géométriques de rotation sont fixes et de roues dentées dites satellites tournant autour d’axes géométriques mobiles. Les axes des satellites tournent autour de ceux des planétaires. Une partie des étudiants a, dans sa formation pratique, eu à rencontrer ces boîtes de vitesses sous une forme réelle, ce qui n’est pas le cas de la majorité d’entre eux. Le groupe de 17 étudiants a travaillé sur :

• Le visionnage d’une maquette 3D d’un système mécanique, modélisé pour la circonstance, avec le logiciel SolidWorks de conception tridimensionnelle assistée par ordinateur (CAO 3D) dont l’institution détient une La maquette montre les engrenages d’une boîte de vitesses de type Ravigneau. Elle est constituée de deux trains d’engrenages épicycloïdaux.
• Une activité de production consistant à expliquer, pendant que la vidéo de la maquette numérique animée est projetée en boucle sur écran, le fonctionnement du système visualisé et à représenter le schéma cinématique du système montré par la vidéo. Pour ce travail les principales consignes présentées ou questions posées aux élèves-professeurs sont :
  • Représentez le système montré sous forme de schéma en numérotant les différentes pièces.
  • Quelles sont les différentes phases de fonctionnement ?
• Ensuite, un testde visualisation spatiale PSVT-R (Guay, 1976) a été proposé. Le test PSVT-R (Purdue Spatial Visualization Test-Rotation), développé par Roland Guay à l’université de Purdue est utilisé parmi d’autres tests existants (Sorby, 2009), pour la mesure de la capacité de vision spatiale. Il consiste en trente questions à choix multiple où il s’agit de déterminer la représentation d’un volume donné ayant subi une rotation identique à celle d’un volume de référence tel que montré par la figure 1 qui suit.

• A suivi enfin un entretien collectif semi-directif destiné à recueillir les représentations des étudiants concernant les différents éléments de l’activité à laquelle ils ont participé. Cet entretien, enregistré sous format audio, reposait sur les questions :
  • Comment avez-vous vécu cette expérience ?
  • Comment appréciez-vous l’animation 3D ?
  • Auriez-vous préféré une représentation 3D fixe ou 2D (dessin ou schéma) ?

Cette dernière phase a duré 25 minutes. Ainsi, 11 étudiants ont été actifs dans les débats pour un total de 30 interventions autour des questions soulevées. Les données recueillies l’ont été sur la base de résultats au test PSVT-R de visualisation spatiale, de productions graphiques et écrites et de l’enregistrement audio de l’entretien semi-directif. À ces données nous avons ajouté des éléments, dont nous disposions déjà, sur l’âge des étudiants participant à cette recherche.

Traitement des données

Traitement quantitatif des résultats aux tests

Il s’est agi, sur une échelle de 1 c’est-à-dire en valeur relative, de la détermination du score obtenu par chacun des étudiants lors du PSVT-R. Ce score est le rapport du nombre de réponses justes sur le nombre total de questions. Les scores varient alors de 0,2 à 1.

Traitement qualitatif des entretiens et des productions

Entretien

Le fichier sonore de l’entretien a été lu à vitesse réduite et retranscrit en texte. Cette opération s’appuie sur l’attribution de numéros aux différents intervenants selon l’ordre de prise de parole et sur l’indexage des instants de début de prise de parole et de fin d’intervention.

Une seconde étape d’analyse et de codage du discours a suivi. Elle a consisté à relever les représentations préalables du système montré et les difficultés de compréhension de l’animation 3D évoquées lors de l’entretien.

Productions

Le contenu des productions textuelles est analysé pour en extirper les phases de fonctionnement identifiées par les étudiants. Cette identification des phases de fonctionnement étant liée à la qualité de la description du fonctionnement. Les productions graphiques sont quant à elles appréciées de manière à déceler les erreurs relatives aux relations cinématiques des différents éléments schématisés.

Avec le logiciel R, l’étape qui a suivi a consisté à réaliser des tris à plat et des croisements des données selon différentes modalités pour en identifier les tendances. Ainsi, les données ont été présentées sous forme graphique. Notons que le nombre limité (17) de participants à l’étude ne nous a pas permis d’effectuer des tests statistiques pour établir des relations plus marquées.

Résultats et discussions

Les scores au PSVT-R révèlent une moyenne de 0,81 (figure 2). Le 1er quartile est confondu avec la médiane (0,8) ce qui indique que le quart de la population a obtenu un score de 0,8. Le 3e quartile est égal à la valeur maximale. Cette particularité reflète le fait que le quart des étudiants au moins a obtenu un score de 1 et que, globalement, 75 % des étudiants ont un score entre 0,8 et 1. Ces résultats montrent également de meilleurs scores pour les étudiants les plus jeunes (figure 3).

Tableau 1 : Distribution des scores au PSVT-R 

Min.	1st Qu.	Mean	3rd Qu.	Max.
0,20	0,80	0,81	1	1

Figure 2 : Répartition des scores au PSVT-R 

Figure 3 : Tranche d’âge en fonction des scores au PSVT-R

Vision spatiale et qualité des productions

 

Nous remarquons à travers la figure 4 que les étudiants ayant le moins commis d’erreurs, dans la représentation du mouvement d’entraînement des satellites des trains épicycloïdaux, sont majoritairement ceux ayant obtenu des scores supérieurs ou égaux à 0,6. L’identification des phases de fonctionnement a été correctement faite par la majorité des étudiants (figure 5). En outre, il apparaît que les étudiants ayant identifié de manière adéquate les phases de fonctionnement ont pour la plupart des scores au PSVT-R au-dessus de 0,8, excepté l’un d’entre eux qui a obtenu un score de 0,4.

Figure 4 : Erreurs sur les relations cinématiques des satellites en fonction des scores au PSVT-R

Figure 5 : Nombre de phases de fonctionnement identifiées en fonction des scores au PSVT-R

Effet des représentations

 

Des représentations préexistantes ont été appréhendées à la suite de l’entretien. Il est ressorti l’évocation de difficultés liées à la compréhension de l’animation 3D. De même, le lien fait par ces étudiants avec la rencontre ou la connaissance préalable d’un tel mécanisme est à mentionner. Tous les étudiants ayant exprimé une rencontre ou une connaissance préalable du système, ont des avis peu favorables ou mitigés en ce qui concerne l’animation 3D comme cela transparaît dans leur discours.

Étudiant 1

« … pour l’animation 3D, le schéma n’était pas très évident, parce qu’il fallait avoir un dessin d’ensemble pour nous permettre vraiment de comprendre le mécanisme… »

« … mais avec un schéma 3D comme le schéma que vous nous avez montré comme ça, bon, le système j’arrivais à comprendre mais je ne pouvais pas directement, si je n’avais pas vu le mécanisme auparavant, je n’aurais pas pu comprendre le fonctionnement en réalité… »

Étudiant 4

« … je pense que la représentation 3D n’était pas bon ! si explicite… du fait qu’on ne pouvait pas… si on n’avait pas… si on n’a pas les… heu…heu… si on n’avait pas vu le mécanisme… »

« … on ne pouvait pas répondre à la première question. Par exemple dans ce mécanisme on voit qu’il y avait des satellites longs et des satellites courts et bon… si on… si… heu… je n’avais pas vu ce mécanisme auparavant, je ne pourrais pas répondre à la question… »

Pareillement, les discours montrent que tous ceux qui ont reconnu avoir déjà rencontré un tel système présenté sous une autre forme, laissent entrevoir des difficultés dans la compréhension de l’animation 3D.

Les scores au test de vision spatiale (PSVT-R) atteignent une moyenne de 0,81. Moyenne comparable à celles présentées par Veurink et al., 2009 (0,80) ainsi que Sorby, 2009 (0,80) comme résultats de post-tests pour des étudiants ayant suivi un cours de renforcement de la capacité de vision spatiale. Ce résultat semble en accord avec le cursus des étudiants ayant participé à l’étude. Ils ont, en effet, suivi un cours de construction mécanique durant l’année universitaire courante, mais également durant les deux années de formation après le baccalauréat. Ce score semble, en outre, corroborer les travaux anglo-saxons ayant établi l’effet de cours similaires à ceux de construction mécanique sur l’amélioration de la vision spatiale (Ault et John, 2010 ; Veurink et al., 2009 ; Onyancha, Derov, et Kinsey, 2009 ; Study, 2011 ; Sorby et Veurink, 2010 ; Sorby, 2009). Une certaine relation entre la qualité des productions et le niveau de capacité de vision spatiale mesuré par le PSVT-R transparaît alors. Ceci va dans le sens de l’effet sur la réussite dans les sciences et technologies attribué à la capacité de vision spatiale (Sorby, 2009 ; Sorby et Veurink, 2010 ; Study, 2011 ; Veurink et al., 2009).

L’expression d’avis moins favorables à la présentation de systèmes mécaniques sous forme d’animations en 3 dimensions paraîtrait être le fait d’étudiants ayant déjà rencontré le système présenté sous une autre forme. Ce fait découlerait de la construction de connaissances par comparaison avec les représentations préexistantes qui peuvent s’ériger en obstacle (Rabardel, 1982). Les représentations préexistantes conditionnant alors l’appréhension que les apprenants ontdu système présenté. Pour ainsi dire « … une expérience mentale ne dépend pas seulement de l’input, elle dépend aussi des structures que lui imposent nos attentes et routines interprétatives… » (Meunier, 1998, p. 19). Les difficultés exprimées seraient la conséquence d’un conflit cognitif qui s’installe chez les apprenants. Ce conflit ou malaise noté expliquerait les avis peu favorables à ce type de représentations. Ce défaut dans l’établissement de connexions entre le vécu antérieur et le système mécanique objet de la connaissance nouvelle empêche aux apprenants de donner du sens à la connaissance nouvelle comme le suggèrent Andreucci, Froment, et

Verillon (1996). Ainsi, l’évocation de la rencontre antérieure du système montré resterait liée aux difficultés de compréhension. Mais aussi à une qualité moindre des productions en termes de relations cinématiques permettant de mieux comprendre son fonctionnement. En effet, les apprenants cherchent à faire le lien avec ce qu’ils connaissent déjà d’un tel système ou à tout simplement le reproduire. Les erreurs viendraient alors du fait que le système mécanique montré n’a pas forcément les mêmes caractères que ceux présents dans leurs représentations préexistantes (Rabardel, 1982).

Ce fait est confirmé par les entretiens qui laissent apparaître que certains étudiants ont déjà rencontré ce type de systèmes. Cela laisse alors voir le caractère polysémique de la présentation (Peraya, 2006), même sous forme d’animation en 3 dimensions. Des éléments non précisés par l’animation sont quand même décrits par les étudiants sur la base de leurs connaissances préalables de ce type de mécanismes.

Conclusion

Cette production s’appuyant sur une présentation d’un système mécanique sous forme d’animation 3D a cherché à cerner le lien qui pourrait exister entre la capacité de vision spatiale et la qualité des productions faites sur la base de cette représentation. Ainsi, nous avons mesuré la capacité de vision spatiale avec le test de PSVT-R. Cette dernière a été mise en parallèle avec la qualité des textes et des graphiques produits pour laisser transparaître un hypothétique lien.

Une suite triviale que pourraitavoir ce travail résideraitdans la mesure plus fine de la capacité de vision spatiale en faisantappel à d’autres types de tests. Dans la même lancée, une populationd’étude plus importante permettrait, à travers une méthodologie reposant sur des statistiques inférentielles, d’établir de manière plus prononcée les relations qui existeraient entre la qualité des productions et la vision spatiale.

Le caractère animé ou iconique de la représentation semble, à lui seul, ne pas être une garantie à la construction de connaissances sur le système représenté. La vision spatiale et les représentations préexistantes semblent, entre autres, être essentielles dans ce processus cognitif. Ainsi, il convient d’interroger de manière précise les mécanismes par lesquels les différents champs conceptuels sontsollicités dans les productions faites sur la base d’animations en trois dimensions. Afin de déceler les stratégies didactiques gages de qualité, de déterminer de manière précise l’articulation pertinente des activités d’apprentissage faisant appel à la géométrie et à la maîtrise des codes et de la technologie.

En termes de perspectives, il nous semble opportun d’investiguer les liens éventuels qui existeraient entre l’usage de maquettes virtuelles animées en construction mécanique et la capacité de vision spatiale. De même que les implications en relation avec le genre qui en résulteraient étant donné la désaffection des filières technologiques par les filles au Sénégal.

Le contexte sénégalais est marqué par un profond déséquilibre entre la fréquentation des filières littéraires et celles scientifiques et techniques. Il serait intéressant de cerner, dans un contexte d’usage de maquettes numériques, les relations entre le choix de filière et la capacité de vision spatiale ainsi que les aspects liés au genre. Dans la même optique, la compréhension des rapports qui pourraient exister entre l’environnement socioculturel, le cursus académique et la capacité de vision spatiale pourrait être utile.

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