Soutenance mémoire
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Historiques et études menées sur l’importance de l ’ expérimentation dans l’enseignement
En 1996, sous le parrainage du prix Nobel Georges Charpak, l’operation la main a la p^ate est lancee [Charpak, 1998]. Elle a comme objectif de donner envie aux enseignants de faire de plus en plus d’experimentations en classe. En e et, d’un point de vue pedagogique, l’objectif du plan est que les etudiants s’interrogent, agissent de maniere raisonnee et commu-niquent, qu’ils construisent leurs apprentissages en etant acteurs des activites scienti ques . ([et al., 2000], p. 8). En e et, pour qu’un etudiant comprenne et memorise les cours theoriques qu’il a appris, il faut qu’il pratique, et fasse l’analyse et le point sur ce qu’il est entrain de faire.
Aux USA aussi, le debat autour de l’importance de l’experimentation est tres engag . Depuis plus de trois decennies, les chercheurs en physique ont montre a plusieurs reprises que les cours traditionnels d’introduction a la physique ne sont pas e caces pour ameliorer la comprehension des eleves. Par cours traditionnels, ils entendent des cours comprenant uni-quement des lecons ex-cathedra ou les eleves restent passifs, des laboratoires bases sur des protocoles qui ne donnent pas aux eleves beaucoup de marge de man uvre et des tests bases exclusivement sur des problemes algorithmiques (McDermott et Redish 1999). Plusieurs etudes sur ce sujet ont et e ectuees (par exemple Reif 1974 et 1986 ; Clement 1982 ; Mc Dermott 1984).
Le travail de Halloun et Hestenes (1985a, 1985b) est tres important. En utilisant un type particulier de test appel Mechanics Diagnostic Test (MD test) (Annexe a l’article Halloun et Hestenes 1985a), ils ont evalu les connaissances de base en mecanique des eleves. Le test a et propose a un large nombre d’etudiants de l’Arizona State University avant et apres avoir suivi les cours d’introduction a la physique, cours fondes soit seulement sur le calcul soit avec experimentation. Ils ont conclu que : (1) … les croyances qualitatives initiales dues au sens commun des etudiants, sur le mouvement et … (leur) … causes ont un e et important sur les performances en physique, mais l’instruction classique induit seulement un petit changement dans ces croyances … et (2) … compte tenu des grandes di erences dans les styles d’enseignement des quatre professeurs impliques dans l’etude, le gain de connaissances de base en vertu de l’enseignement traditionnel est essentiellement independant du professeur
TRAVAUX PRATIQUES : ROLE ET IMPORTANCE DANS L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
Ces resultats sont compatibles avec les travaux e ectues par beaucoup d’autres chercheurs en didactique de la physique (par exemple Reif 1974 et 1986 ; Clement 1982 ; Mc Dermott 1984), qui ont sugger que les cours traditionnels d’introduction a la physique, m^eme s’ils sont dispenses par les professeurs les plus talentueux, n’aident pas toujours les eleves a ameliorer la comprehension de la mecanique newtonienne. Richard Hake(1998) a utilise trois di erents types de tests pour analyser les competences des etudiants de trois niveaux di erents : high school americain (jusqu’a environ 18 ans), college americain (jusqu’a 22 ans) et universite[Halloun et Hestenes 1985a, 1985b ; Hestenes, Wells M. et G. Swackhamer 1992 ; Hestenes & Wells 1992]. Les etudiants ont e ectu le m^eme test avant et apres avoir suivi les cours. Au total, 6542 etudiants ont et impliques dans la recherche ; 2084 ont suivi des cours traditionnels et 4458 ont suivi des cours avec une participation plus active et avec de l’experimentation. Ce chercheur a analyse les reponses et il a revel que les resultats pour les etudiants n’ayant pas participe activement ne sont pratiquement pas changes, mais qu’il y a une amelioration nette pour ceux qui ont suivi les cours de facon plus active. (cf gure 1.1)
Fascicule de travaux pratique : Les circuits electroniques
Precedemment, nous avons parle de deux types de TP, le premier, celui qui propose a l’etudiant de realiser une activite experimentale en suivant un protocole donne et le second, quand on leur demande de mettre en place une activite en fonction d’une problematique donnee. Dans notre cas, nous allons prendre en compte le premier type, car il est plus facile de concevoir un outil lorsqu’on a un but a atteindre et des directives a suivre. Pour cela, nous allons consider un fascicule de travaux pratiques utilise en premiere annee du premier cycle d’etude universitaire en option Mathematiques et Physiques. Et comme il s’agit d’une simulation dans le domaine de l’electricite, nous avons choisi d’implementer la manipulation concernant les Theoremes generaux de l’electrocinetique.
Theoremes generaux de l’electrocinetique
Le but de la manipulation que nous allons realiser est de veri er 3 theoremes generaux regissant un reseau electrique : les lois de Kirchho , le theoreme de superposition et le theoreme de Thevenin. Pour cela, voyons d’abord la partie theorique, puis dans le chapitre suivant, la conception de l’outil pour la simulation de la manipulation et au dernier chapitre, les resultats obtenus.
Les lois de Kirchho
Les lois de Kirchho expriment la conservation de l’energie et de la charge dans un circuit electrique. Elles portent le nom du physicien allemand Gustav Kirchho qui les a etablies en 1845. Dans un circuit complexe, il est possible de calculer les di erences de potentiel aux bornes de chaque resistance et l’intensit du courant continu dans chaque branche de circuit en appliquant les deux lois de Kirchho : la loi des n uds et la loi des mailles.
La somme des intensites des courants qui entrent par un n ud est egale a la somme des intensites des courants qui en sortent. Les intensites des courants sont des grandeurs algebriques (positives ou negatives). Le sens (choisi arbitrairement) des courants entrant
ou sortant du n ud A est represent sur la gure. D’apres la loi des n uds, on a donc : I1 + I4 = I2 + I3 (cf. gure 1.3). Cette loi decoule directement de la conservation de la charge electrique, en tenant compte du fait que ces charges ne peuvent pas s’accumuler a un endroit quelconque du circuit. Les charges qui arrivent a un n ud compensent celles qui en repartent.
Dans une maille quelconque d’un reseau, la somme algebrique des tensions le long de la maille est constamment nulle. Cette loi decoule de la de nition de la tension comme di erence de potentiel entre deux points. La tension entre A et B est U = V B – V A. V A et V B etant les potentiels respectifs aux points A et B. En additionnant toutes les tensions d’une maille et en se servant de cette de nition, on obtient un resultat nul.
Un circuit ferm de reseau electrique est appel maille (Exemples : mailles (ADE1A), (ABCDA),(ABCE1A). On a donc trois mailles dont deux : (ADE1A) et (ABCDA), sont
independants car leur intersection est vide ou bien contient une branche (comme le cas present).
La loi de maille s’enonce que la somme des ddp dans une maille est nulle. Elle s’ecrit par exemple pour la maille (ADF1A)
Avec les conventions suivantes :
1. On oriente d’abord la maille (par exemple dans le sens ADFE1HA)
2. I compte positif si I de m^eme sens de la maille,
3. I compte negatif si I de sens contraire a celui de la maille,
4. Le signe de E est celui de la 2eme borne rencontree en suivant le sens de la maille.
Soit ici : R1 I1 + R3 I3= E1 (1’) Les relations (1) et (1’) sont equivalentes.
Theoreme de Superposition
Ce theoreme permet de calculer l’intensit de courant qui passe dans une branche donnee. Il s’applique lorsque le circuit contient au moins deux generateurs. Considerons le circuit donne ci-dessous :
Figure 1.4 { Schema d’un montage electrique illustrant le theoreme de la superposition
Soit a determiner le courant I3 passant dans la branche AD (cf. gure 1.4). Pour cela, considerons les 2 circuits suivants dans lesquels un seul generateur agit dans chaque circuit, l’autre generateur etant court-circuite (court-circuiter un generateur veut dire remplacer l’ap-pareil par sa resistance interne).
Si on note par I’3 le courant passant dans la branche R3 quand E1 agit seul dans le circuit et par I »3 quand E3 agit seul (cf. gure 1.5), le courant I3 sera donne par la somme algebrique de I’3 et I »3, c’est-a-dire : I3 = I’3 + I »3
Theoreme de Thevenin
Le theoreme de Thevenin a et initialement decouvert par le scienti que allemand Hermann von Helmholtz en 1853, puis en 1883 par l’ingenieur telegraphe francais Leon Charles Thevenin. Ce theoreme est une propriet electronique qui se deduit principalement des proprietes de linearit et du principe de superposition qui en decoule. Il s’utilise pour convertir une partie d’un reseau complexe en un dip^ole plus simple.
| Considerons un circuit complexe qui comporte des generateurs ou des recepteurs reels. Le probleme consiste a remplacer ce circuit complexe (dip^ole actif), vu de ces deux bornes A et B par un generateur equivalent dit generateur de Thevenin,
| Ce generateur possede une source de Thevenin (ET h) en serie avec une resistance (RT h),
Figure 1.6 { Reseau equivalent
Principe
Le theoreme de Thevenin permet de transformer un circuit complexe en un generateur de Thevenin dont :
La valeur de la source de Thevenin ET h (UAB) est donnee par la mesure ou le calcul de la tension de sortie a vide (la charge etant debranchee),
La valeur de la resistance interne RT h est mesuree ou calculee vues des bornes de sorties A et B, avec les conditions suivantes ;
| La resistance de la charge est debranchee,
| Court-circuiter les generateurs de tension, en gardant les resistances internes,
| Debrancher les sources de courants,
Remarque : Les details du fascicule que nous utiliserons pour la realisation de la simulation seront donnes en annexe de ce memoire.
Les problemes rencontres pendant les travaux pratiques
Theoriquement, nous avons vu a quoi un TP doit ressembler, mais pratiquement, ce n’est pas toujours facile car les conditions de travail ne sont pas toujours evidentes. Surtout dans les universites malgaches, les problemes rencontres lors d’une experimentation physique sont nombreux. Entre autres,
| la vetust des materiels, qui ont ete dans les laboratoires depuis les annees 90. Par consequent, la manipulation des materiels reste tres delicat. Exemple, pour la prise des mesures avec le multimetre, il est important de faire tres attention parce que si l’inten-site de courant est elevee par rapport au calibrage du materiel, il se peut qu’il y ait un cours-circuit qui pourrait l’endommager.
| le nombre de materiel a disposition des etudiants est egalement insu sant. Il n’y a qu’un appareil par manipulation donc les etudiants ne peuvent pas faire la m^eme manipulation en parallele. Ils doivent suivre une rotation des cours pour attendre leur tour.
Ci-dessous, un echantillon d’image que nous avons pris au laboratoire de TP de l’Universit d’Antananarivo.
Conclusion
Dans cette premiere partie, nous avons vu les points importants qu’il faut savoir sur les travaux pratiques et leur utilite au sein de l’enseignement superieur. Puis une breve explication sur les theoremes generaux en electrocinetique a et donne pour en n avoir un apercu des problemes qui subsistent au niveau des laboratoires de TP a l’Universit d’Antananarivo.
A n de pallier ce probleme, nous avons eu l’idee de concevoir un outil de simulation, pour que les experimentations puissent se faire en m^eme temps et que les etudiants bene cient des m^emes explications et suivis venant du professeur responsable des travaux pratiques. Au-jourd’hui, il est possible de concevoir et de creer un outil permettant d’aider les jeunes dans leur etudes notamment a travers un travaux pratique qui est a la fois ludique et educatif. Cependant, plusieurs etudes theoriques et pratiques doivent encore ^etre e ectuees pour que cet outil puisse ^etre utilise a bon escient et qu’il puisse o rir a ses utilisateurs le toutes les fonctionnalites requis pour un jeu de simulation suivant les normes de l’enseignement superieur. Neanmoins, plusieurs etudes ont deja et entreprises a n d’ameliorer l’exactitude des experimentations a faire et des resultats. Nous allons maintenant voir les notions de base a savoir sur les jeux serieux dans la partie suivante.
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Table des matières
Introduction Générale
1 Etat de l’art sur la création d’outils pédagogiques – jeux sérieux – à partir de la réalité virtuelle
1.1 Introduction
1.2 Travaux pratiques : r^ole et importance dans l’enseignement supérieur
1.2.1 Les travaux pratiques dans l’enseignement supérieur
1.2.2 Historiques et études menées sur l’importance de l’expérimentation dans l’enseignement
1.2.3 Fascicule de travaux pratique : Les circuits électroniques
1.2.3.1 Théorèmes généraux de l’électrocinétique
1.2.3.1.1 Les lois de Kirchhoff
1.2.3.1.2 Théorème de Superposition
1.2.3.1.3 Théorème de Thévenin
1.2.3.2 Les problèmes rencontrés pendant les travaux pratiques
1.2.4 Conclusion
1.3 Jeux sérieux : notions de base
1.3.1 Définition des jeux sérieux
1.3.2 Caractéristique d’un SG
1.3.2.1 Caractérisation et composante d’un jeu sérieux
1.3.2.2 Classification des jeux sérieux
1.3.3 Avantages et limites du SG pour l’éducation
1.3.3.1 Avantages pédagogiques du SG
1.3.3.2 Limites du SG pour l’éducation
1.4 Réalité virtuelle : Conception de jeu sérieux à partir de la RV
1.4.1 Généralité sur la réalité virtuelle
1.4.1.1 Définition
1.4.1.2 Différents types de périphériques
1.4.2 Différence entre réalité virtuelle et réalité augmentée
1.4.2.1 La réalité virtuelle
1.4.2.2 La réalité augmentée
1.4.3 Méthodologie de conception de jeux sérieux
1.4.3.1 Différentes méthodologies
1.4.3.2 L’utilisation de la réalité virtuelle dans la conception de jeux sérieux : Immersion et interaction
1.5 Conclusion
2 Description des approches proposées/Méthodologie
2.1 Introduction
2.2 Game concept
2.2.1 Scénario de jeux
2.2.2 Méthode de scénarisation interactive
2.2.3 Les diagrammes
2.3 Architecture orientée service SOA
2.3.1 Webservice
2.3.2 Calcul et résultat des manipulations
2.4 Interfacage avec le logiciel Unity 3D
2.4.1 Intégration des objets
2.4.2 Réalisation du projet
2.4.2.1 Rendu de la scène
2.4.2.2 Mise en place de la scène
2.4.3 Couplage entre Unity3D et le Webservice
2.5 Conclusion
3 Implémentation et résultat
3.1 Introduction
3.2 Langage, librairie et matériels utilisés
3.2.1 Unity 3D
3.2.2 Flask, Ahkab et Pyspice
3.3 Présentation de l’interface du système
3.3.1 Première scène
3.3.2 Deuxième scène
3.3.3 Troisième scène
3.4 Conclusion
Conclusion Générale
Bibliographie III
Annexe
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