Cet article illustre un exemple d’usage proposé par le GEP de l’académie de Versailles présentant quelques plus-values du numérique. Il traite plus particulièrement de l’utilisation de la carte micro:bit associée à la calculatrice TI-83 dans le cadre d’une séance de travaux pratiques de première spécialité.

Professeur expérimentateur

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

Niveau - Thèmes

• Lycée
• 1ère spécialité - cycle terminal
• Possibilité d’adapter cette séance au niveau seconde, lors de la partie ondes et signaux plus précisément sur l’émission et perception d’un son et les capteurs électriques.
• Expérimenter dans ou hors la classe

Introduction

Cette séance de TP permet aux élèves de se focaliser sur l’acquisition de mesures, de les exploiter en utilisant une carte BBC micro:bit et la calculatrice TI-83 édition python. Cette calculatrice possède un mode de programmation permettant d’utiliser des capteurs de la carte micro:bit. L’avantage d’utiliser un format nomade (calculatrice + carte micro:bit), plus compact qu’un ordinateur, permet de réaliser des mesures - et de les exploiter - en mobilité.

Contenus disciplinaires

• Notions et contenus : Célérité d’une onde sonore, application au principe d’un sonar.
• Compétences exigibles : Exploiter la relation entre la durée de propagation, la distance parcourue par la perturbation et la célérité.
• Capacités numériques : Déterminer la célérité d’une onde sonore à l’aide d’un microcontrôleur (ici la carte micro:bit) et d’une programmation en langage python sur la calculatrice TI-83. L’élève mesure la distance capteur-obstacle à la règle, la renseigne dans la calculatrice. Le capteur mesure le temps correspondant et à l’aide de la programmation, l’élève utilise le graphe d=f(t) pour évaluer la célérité du son dans l’air.

Compétences

• S’APPROPRIER : le matériel mis à disposition (la carte micro:bit, capteur ultrasons et la calculatrice TI-83), le protocole expérimental, le programme Python mis à disposition
• ANALYSER : la situation-problème de la séance de TP, les scripts en langage Python fournis
• RÉALISER : les expériences de la séance
• COMMUNIQUER : répondre et partager les résultats par voie numérique (compléter un document type Quizinière par insertion de photos du montage expérimental et insertion d’un graphe, création d’une collection en partage renforcé dans pearltrees...)

CRCN – Compétences Numériques (Pix)

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

Objectif(s) pédagogique(s)

• Utiliser une carte micro:bit et le capteur à ultrasons
• Acquérir des données à l’aide d’un capteur
• Traiter, interpréter, analyser, modéliser les données
• Communiquer les résultats

Objectifs disciplinaires et/ou transversaux

• Objectif 1 : Mesurer la vitesse du son dans l’air
• Objectif 2 : Utiliser un capteur d’ultrasons associé à la carte micro:bit
• Objectif 3 : Comprendre le principe du sonar
• Objectif 4 : Exploiter le code en langage Python de la calculatrice TI-83 envoyé à la carte micro:bit

Description de l’activité

Cette activité expérimentale, d’une durée de deux heures, est composée de deux parties.
La première partie permet de mesurer la célérité du son dans l’air en modélisant directement la courbe d=f(t) sur la calculatrice. Pour cela, l’élève mesure la distance capteur-obstacle à la règle, renseigne cette distance sur la calculatrice, et le capteur à ultrasons mesure le temps de l’aller-retour. Le programme « célérité » s’exécute. La courbe d=f(t) et son équation apparaissent sur la calculatrice.
Dans la deuxième partie, l’élève explique le principe d’un sonar. Le programme « Télémètre » indique la distance capteur-obstacle que l’élève compare à la mesure faite à la règle. Il peut exercer son esprit critique en identifiant les limites de l’utilisation du capteur.

Pré-requis

Signal sonore, propagation, vitesse de propagation, fréquence et période sont les notions pré-requises et ont été abordées en classe de seconde dans le thème Ondes et signaux.

Outils utilisés – Matériel

• Outil 1 : Une carte micro:bit, le shield, le capteur à ultra-sons, cable microUsb-miniUsb
• Outil 2 : la calculatrice TI-83 Edition Python
• Outil 3 : un écran, un mètre ruban
• Outil 4 : Pearltrees, création d’un dossier « compte-rendu TP » en mode partage renforcé avec l’enseignant

Scénario pédagogique de la séquence

Le carnet de bord ci-dessous renseigne sur le déroulé de la séance de TP. Il comprend toutes les activités et ressources (papiers ou numériques) proposées aux élèves ainsi qu’une fiche destinée à l’enseignant :

Retour d’expérience

Durant la séance, les élèves se concentrent principalement sur l’exploitation des données. Les scripts, en langage Python, ont été téléchargés en amont dans les calculatrices.

• Rendre le dispositif expérimental le plus nomade possible.
• Simplifier la programmation en ayant déjà téléchargé le code dans les calculatrices.
• Obtenir directement la courbe et sa modélisation à l’aide de la fenêtre graphique.
• Montrer aux élèves que les lignes de code permettent d’accéder plus rapidement et efficacement aux mêmes résultats que si manuellement ils complètent un tableau de mesures et utilisent une feuille de calcul (type Libre Office, Excel, Regressi).

• Éviter l’effet « boite noire » en faisant participer les élèves aux explications des lignes de code (cf. les questions pour expliquer le programme, dans le compte-rendu).
• Durant la séance, certains élèves ont besoin d’une aide personnalisée pour l’utilisation de la calculatrice.

• Il est possible de généraliser la démarche à d’autres capteurs de mesure type pression, pH, température etc. Pour cela, les modules d’utilisation des capteurs doivent être développés et implantés dans la calculatrice TI-83.
• Proposer aux élèves d’insérer des photographies dans les comptes rendus, favorise leur implication et ancre le dispositif expérimental dans les pratiques.