La maison bioclimatique connectée

, par Aurélie Marié

Cet article illustre un exemple d’usage proposé par le GEP de l’académie de Versailles 2021-2022 dont la thématique est d’utiliser le numérique pour mieux enseigner et apprendre en Enseignement Scientifique.

Professeur expérimentateur

  • Aurélie Marié
  • Lycée Albert Einstein – Sainte Geneviève des Bois (Essonne 91)

Niveau - Thèmes

  • Lycée
  • 1ère Enseignement Scientifique Physique-Chimie
  • Thème abordé : projet expérimental et numérique

Introduction

Dans le cadre du projet expérimental de l’enseignement scientifique en première, j’ai souhaité cette année, que les élèves travaillent sur un projet de classe autour de "La maison bioclimatique connectée" à l’aide d’une carte BBC micro:bit.
Durant les trois premières séances, les élèves prennent connaissance de la carte micro:bit et des capteurs, apprennent à s’en servir. Les séances suivantes sont consacrées à la réalisation de projets autour de « La maison bioclimatique connectée ».

Contenus disciplinaires

  • Notions et contenus :
    Le projet s’articule autour de la mesure et des données qu’elle produit, qui sont au coeur des sciences expérimentales. L’objectif étant à cette occasion de remobiliser certains acquis des classes antérieures tels que la manipulation de capteurs et de microcontrôleur, le traitement de données structurées, l’utilisation d’un tableur et d’un environnement de programmation.
    Le projet expérimental et numérique comporte trois dimensions :
    - utilisation d’un capteur éventuellement réalisé en classe ;
    - acquisition numérique de données ;
    - traitement mathématique, représentation et interprétation de ces données.
  • Compétences exigibles :
    Le projet expérimental et numérique permet de confronter les élèves à la pratique d’une démarche d’investigation, d’expérimenter, d’utiliser du matériel (capteurs et logiciels), d’effectuer une analyse critique des résultats.
  • Capacités numériques :
    - Utiliser un ou plusieurs capteur(s)
    - Acquérir des données numériques
    - Traiter mathématiquement, représenter et interpréter ces données à l’aide de logiciels (type regressi, Microsoft Excel, Impress LibreOffice calc..)

Compétences

  • S’APPROPRIER  : le matériel en réalisant des simulations, les plateformes « Vittascience » et « Makecode » pour programmer ainsi que les ressources « tuto » sur la carte micro:bit.
  • ANALYSER  : le projet expérimental de la classe et choisir librement un sujet ou en traiter un proposé.
  • RÉALISER  : les expériences du projet et l’oral de présentation.
  • VALIDER  : par une acquisition numérique des données ; par une représentation et interprétation de ces données.
  • COMMUNIQUER  : un compte rendu écrit avec l’appui de photos de l’expérience et à l’aide d’outils numériques de présentation puis présenter à l’oral l’ensemble des tâches réalisées.
  • ETRE AUTONOME, FAIRE PREUVE D’INITIATIVE : selon les besoins de chaque groupe de l’aide est apportée mais l’enseignant favorise la prise d’initiative sur les séances expérimentales.

CRCN - Compétences Numériques

  • Compétence 2.1 Interagir
  • Compétence 2.2 Partager et publier
  • Compétence 2.3 Collaborer
  • Compétence 3.2 Développer des documents multimédia
  • Compétence 5.2 Évoluer dans un environnement numérique

Objectif(s) pédagogique(s)

  • Apprendre à programmer et à simuler à l’aide des plateformes « Vittascience » et « Makecode » et voir l’interaction avec la carte micro:bit et ses capteurs.
  • Réaliser des mesures à l’aide de capteurs physiques en lien avec le projet de la classe « La maison bioclimatique connectée ».
  • Traiter et interpréter les résultats des expériences.
  • Présenter un compte-rendu oral le plus détaillé possible, illustré par des images des différentes étapes : mise en place de l’expérience, acquisition et traitement des données, résultats et conclusion de l’expérience.

Objectifs disciplinaires et/ou transversaux

  • Objectif 1 : Utiliser une carte micro:bit et ses différents capteurs pour effectuer des mesures.
  • Objectif 2 : Réaliser les expériences et interpréter les résultats.
  • Objectif 3 : Porter un regard critique sur les résultats obtenus et la conclusion du projet.
  • Objectif 4 : Organiser et rédiger un compte-rendu illustré de photos en se servant d’outils numériques de présentation (type Microsoft Powerpoint, Genially version gratuite, Canva...).
  • Objectif 5 : Présenter à l’oral de façon claire, précise et concise l’ensemble des tâches réalisées.

Description succincte de l’activité

L’objectif de cette séquence pédagogique est de faire travailler les élèves de niveaux scientifiques très hétérogènes sur un projet expérimental et numérique. Les élèves devront dans un premier temps s’approprier la carte micro:bit et les différents capteurs mis à disposition. Pour cela, les trois premières séances sont consacrées à la prise en main de la plateforme de programmation « Makecode » et « Vittascience », à l’utilisation de la carte micro:bit en effectuant de petits défis : programmation, codage par blocs et visualisation des données sur la carte micro:bit. La séance 3 permet de décrire le projet de la classe : « La maison bioclimatique connectée », de faire réfléchir les élèves sur les différents projets possibles et réalisables autour de la maison bioclimatique connectée. Chaque groupe d’élèves a la possibilité de proposer un projet libre ou de décider de suivre l’un des projets proposés par l’enseignant. Les quatre dernières séances permettent la mise en oeuvre des expériences, l’acquisition des données et leur interprétation.

La séquence se découpe en sept séances :
- Séance 0 : (30 min Travail préparatoire en distanciel) Prise en main des interfaces de programmation « Makecode et Vittascience ».
- Séance 1 : (1h en présentiel) Prise en main de la carte micro:bit.
- Séance 2 : (1h en présentiel) Découverte le la liaison radio et récupération de données.
- Séance 3 : (15min en présentiel) Présentation du projet de classe « la maison bioclimatique connectée »
- Séances 4-5-6 : (1h-1h-1h en présentiel) Mise en oeuvre de l’expérience par groupe, récupération des données et analyse des résultats.
- Séance 7 : (1h en présentiel) Présentation orale des différents projets de chaque groupe.

Pré-requis

Pas de pré-requis particulier pour le projet.
Ce projet expérimental a pour but de remobiliser certains acquis des classes antérieures : mesure et incertitudes, manipulation de capteurs et microcontrôleurs, données structurées et leur traitement, utilisation d’un tableur et d’un environnement de programmation.

Outils utilisés / Matériel

  • Matériel  : carte micro:bit, capteurs grove, shield grove, ordinateurs région muni du navigateur chrome, d’une connexion internet .
  • Outil numérique 1  : Pearltrees (https://www.pearltrees.com) pour récupérer les présentations des élèves dans un espace partagé
  • Outil numérique 2  : Microsoft Powerpoint ou Genially (version gratuite)
  • Tableur  : Impress LibreOffice calc ou Microsoft Excel
  • Environnement de programmation  : interfaces « Makecode » (https://makecode.microbit.org) ou « Vittascience » (https://fr.vittascience.com)

Scénario pédagogique de la séquence

Le carnet de bord ci-dessous renseigne sur le scénario pédagogique et l’alternance des temps en présence et à distance. Il comprend toutes les activités et ressources (papiers ou numériques) proposées aux élèves.

L’ensemble des documents a été rassemblé dans ce digipad :
https://digipad.app/p/95435/b78fa6d0510a2

Retour d’expérience

Les plus-values pédagogiques (enseignants / élèves)
  • Le projet global peut être découpé et mené à différents moments de l’année, selon la progression choisie par l’enseignant. Par exemple, les trois premières séances peuvent être programmées en début de l’année, ou bien entre deux thèmes du programme, ou encore en fin d’année.
  • Ce projet expérimental et numérique propose deux axes de travail : l’un basé sur la programmation et l’autre basé sur la mesure de capteurs et l’exploitation des données. Les élèves peuvent ainsi se répartir plus facilement les différentes tâches à mener dans le groupe. Selon le niveau de leurs compétences (et les spécialités suivies en parallèle), certains élèves pourront prendre le rôle d’expérimentateur, de programmeur, de rapporteur/orateur pour rédiger et présenter l’expérience.
  • Les projets proposés autour de « La maison bioclimatique connectée » prennent en compte l’hétérogénéité des élèves. Chaque projet propose trois parcours différenciés : « le coin des experts » pour les plus à l’aise ; « le coin des avancés » pour ceux qui ont besoin d’un coup de pouce dans la réalisation et « le coin des débutants » pour les élèves à guider pas à pas.
  • L’utilisation de la carte micro:bit couplée à la calculatrice Ti-83 premium edition python donne un caractère nomade et aussi moins encombrant au matériel utilisé en classe comme l’ordinateur. Elle permet ainsi aux élèves les plus en difficulté de n’effectuer que l’acquisition des données sans prendre en main la partie codage (souvent fastidieuse) qui aura été déposée au préalable par l’enseignant dans la calculatrice.
  • Les interfaces de programmation Makecode et vittascience proposent une partie « codage par blocs » rappelant la programmation scratch du cycle 4 et une partie programmation en micropython, pour familiariser certains élèves à ce langage (par exemple ceux suivant l’une des spécialités mathématiques, physique-chimie, SVT).
  • Les élèves se sont plus investis dans le projet expérimental et numérique que lors des activités proposées dans l’année. La carte micro:bit et l’utilisation de ses leds (apparition de smiley au début de programme pour vérifier qu’il a bien été chargé) rend sa programmation assez ludique. Les élèves codent, vérifient, se questionnent et collaborent en se mettant dans la peau d’un chercheur.
  • Des présentations originales et créatives
    La séance 7 n’a pas pu avoir lieu cette année. Toutefois, les élèves ont réalisé des présentations originales l’année précédente et même reçu le premier prix national du concours 2020-2021 « YES WE CODE ».
    Les présentations orales, différentes des comptes-rendus traditionnels, ont permis de développer la créativité des élèves et de mobiliser leurs compétences à l’oral ainsi que leur savoir-faire dans la présentation de documents multimédia (photos annotées, support visuel numérique riche).
Les freins
  • Gestion du temps : Les quatre dernières séances peuvent ne pas être suffisantes pour certains groupes. Le prêt d’une carte micro:bit et de capteurs peut être envisagé (matériel suffisamment petit et facilement transportable). Les élèves peuvent poursuivre leur projet hors la classe.
  • Gestion de l’hétérogénéité de niveau des élèves : beaucoup d’élèves viennent de spécialités très différentes. Le projet permet de se placer au niveau de chacun en proposant des parties différenciées.
  • Gestion d’une classe entière pour manipuler : Il n’est pas toujours commode de gérer une classe entière lors de travaux pratiques. Certains chefs d’établissement acceptent le dédoublement de quelques séances notamment pour la réalisation du projet, ne pas hésiter à le demander au moment de la DGH ou en début d’année. Autre alternative, proposer à la moitié de la classe de travailler sur les activités d’un thème pendant que l’autre partie travaille sur le projet expérimental.
  • A l’heure actuelle, la carte Arduino est bien plus développée que la carte micro:bit, nous trouvons plus de programmes et de ressources pour Arduino que pour la carte micro:bit.
  • Le partage d’une présentation et l’envoi de fichiers lourds présentent encore quelques difficultés pour les élèves mais tendent à se minimiser.
Les leviers
  • La constitution des groupes doit être fait en amont par l’enseignant pour permettre l’hétérogénéité du groupe et ainsi impulser une réelle autonomie pour la mise en oeuvre et la réalisation de l’expérience.
  • L’utilisation régulière de Pearltrees a facilité les échanges et la mise en commun des résultats.
Les pistes pour aller plus loin ou généraliser la démarche
  • La carte micro:bit et ses différents capteurs peuvent être utilisés sur l’ensemble des niveaux (seconde, 1ère et terminale spécialité). L’exemple proposé pour « construire un thermomètre de spa » s’intègre parfaitement dans le chapitre « les capteurs électriques » de la classe de seconde . De même, la carte micro:bit et la calculatrice Ti-83 peuvent être facilement utilisées pour l’acquisition de la charge d’un condensateur (avec tracé de courbe). Des vidéos tuto sont disponibles à ce lien : https://www.youtube.com/watch?v=8v4_OVmjX4I&list=PLXMMxcTY_pRhtWbo6aLF4zcpVCgtuP3ID
  • La carte micro:bit peut également fonctionner en bluethooth avec des tablettes et smartphones, mais cette possibilité n’a pas été testée auprès des élèves cette année. Néanmoins la tablette d’écran plus large permet une plus grande facilité d’utilisation. L’application micro:bit étant seulement développée avec l’interface Makecode.

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