DES IMAGES POUR DES ACTIVITÉS SCIENTIFIQUES
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1. From Research Software to Practical Activities in Science Learning in Informatics and Changes in Learning Proceedings of the IFIP Open Conference Knierzinger A amp Moser M Eds 13 13 WINTHER J 1992 tude didactique des utilisations de l informatique dans la mod lisation et la manipulation de mod les en sciences physiques th se Universit Paris 11 311 p R F RENCES DE LOGICIELS Dans cet article diff rents logiciels ont t utilis s pour illustrer les exemples Certains ne sont actuellement que sous forme de prototypes d exp rimentation d autres sont commercialis s depuis plusieurs ann es TABLE BEAUFILS D LE TOUZ J C Logiciel outil de laboratoire pour l tude de mouvements plans dans le champ de pesanteur documentation p dagogique et documents d accompagnement version DOS co dition CNDP INRP 1992 171 IMAGE BEAUFILS D LE TOUZ J C Logiciel d exploitation d images num ris es pour l tude des mouvements logiciel s rie d images num ris es documentation p dagogique et manuel de r f rence version DOS co dition INRP CNDP 1993 REGRESSI MILLET J M Logiciel g n ral d acquisition et de mod lisation environnement DOS dition DLC MICRELEC2. teurs cas des sonagrammes obtenus partir du signal en provenance d un micro par exemple dans le premier cas on re pr sente un ph nom ne qui se d ploie effectivement dans un espace physique r el dans l autre on repr sente des informations qui traduisent le ph nom ne physique dans le premier cas les deux dimensions de l image 5 repr sentent l espace concret dans le second l image est une construction dans des espaces abstraits On voit bien travers la difficult d explicitation que la polys mie des termes est fondamentalement li e la multiplicit des objets et des m thodes d analyse et que toute repr sentation si abstraite qu elle puisse tre pour l observateur novice est toujours parfaitement signifiante pour le sp cialiste et est alors bien consid r e comme une image du ph nom ne 5 La dimension temporelle venant s ajouter lorsque le ph nom ne est tudi dans son volution on passe de l image fixe l image ani m e 152 et entre l image venue du r el et celle venue de la th orie le faible apport des images dans les manuels scolaires Ajoutons que m me dans le cas o le ph nom ne tudi est bien tendu dans l espace r el la distance entre l objet et l obtention de sa repr sentation sur l cran est parfois verti gineuse L exemple de l analyse des structures mol culaires par diffraction des rayons X en est un exemple l exp rience fournit
3. ments de ces recherches 2 que nous pr sentons ici refl tent les diff rents aspects d un tel travail tude de pratiques de laboratoire r alisation d outils informatiques prototypes laboration d activit s et exp rimentations didactiques Dans la suite apr s quelques l ments permettant de situer les pratiques actuelles en mati re d utilisation scientifique de l image en physique qui peuvent tre prises en r f rence et quelques aspects techniques sur les outils actuellement transposables l enseignement secondaire nous consa crons une partie importante la pr sentation de situations didactiques Celles ci sont issues d exp rimentations de recherche ou de mises en pratique en situation de classe qui ont permis l tude de la mise en uvre de ces outils dans des activit s scientifiques et l observation des aptitudes et des attitudes des l ves 1 DES PRATIQUES DE R F RENCE AUX PRATIQUES P DAGOGIQUES L id e de la photographie comme m thode scientifique n est pas r cente puisque l on peut la fixer en 1878 lorsque tienne Jules Marey abandonne ses syst mes m caniques capteurs constitu s de poires en caoutchouc plac es sous les pieds des sportifs ou les sabots de chevaux reli es des rouleaux enregistreurs 3 et choisit d tudier les mouve ments en les photographiant 4 En 1882 il r alise son fusil photographique puis construit une cabine mobile pour faire des photographies aujourd hu
4. rique des quations diff rentielles tir es de la relation fondamentale de la dynamique et la repr sentation des points correspondants dans le ou les espace s repr sent s On voit ici qu un des int r ts se trouve dans la manipulation des repr sentations choix d un ou plusieurs espaces de repr sentation mis en correspondances ou superpos s obtention de trac s sous forme de points de croix de droites de courbes possibilit de superposition de trac s exp rimentaux et de trac s th oriques temporisation des trac s reproduisant ainsi simulant presque un coulement temporel Mais l on voit galement que ces manipulations sont celles de repr sentations abstraites et que si l objectif de la t che est bien l analyse du ph nom ne physique l ap titude la lecture de graphiques divers parfois inhabituels est un pr requis vident En d autres termes ces outils introduisent des comp tences nouvelles et il convient pour l enseignant d en assurer l apprentissage ce propos nous avons pu rep rer la pr gnance d une lecture s quentielle gauche droite classique dans les repr sentations en fonc tion du temps ainsi dans l exemple ci dessous malgr la num rotation des points affich e dans un cadre les l ves ont syst matiquement consid r le point le plus gauche comme le premier 159 Fig 6 Hodographe du mouvement d un objet l ger lanc obliquement dans Pair copie d c
5. elle se place clairement dans une posture pist mologique contemporaine plus satisfaisante 15 ne permet pas de couvrir lensemble des activit s scientifiques la formulation d hypoth se la mise au point de protocoles exp rimentaux l analyse critique de r sultats pr sentation et soutenance d un r sultat devant des pairs etc en font bien videmment partie 16 Dans notre travail nous n avons pas ignor ces l ments mais d passant consid rablement le domaine sp cifique de l utilisation d ou tils informatis s qui est le n tre ils n ont pas t pris en compte au m me niveau que ceux pr sent s pr c demment comme invariants 14 Les guillemets sont l pour indiquer que l id e du chercheur physi cien mod le unique est videmment remettre en cause 15 Sans l ambigu t de d marches dites inductivistes 16 Voir les travaux r alis s pr cis ment dans ce sens par Alain GUILLON universit de Cergy Pontoise laboratoire DidaScO Orsay au niveau du DEUG BEAUFILS LE TOUZE 1992 et GUILLON 1994 voir galement la 3e partie de l article 156 une tablette pour relever facilement les positions 2 MESURE TRAITEMENT ANALYSE QUELQUES OUTILS INFORMATIS S Les activit s voqu es ci dessus n cessitent videmment la mise en uvre d outils sp cifiques pour la mesure le traite ment et la repr sentation Ceux ci peuvent tre s par s en deux grands domai
6. s 2 3 En optique la confrontation l image de synth se Dans l tude de figures de diffraction ou d interf rences lumineuses l acquisition est d abord celle de l image partir 162 l image calcul e de la num risation du signal de luminance 19 Les outils de mesure sont donc des outils qui permettent le relev automatique des intensit s des pixels le long d une ligne ou dans une zone d image fig 13 Les outils de traitement sont semblables ceux d crits ci dessus mais d une part ils sont tendus une grandeur variant sur 256 niveaux et d autre part ils doivent permettre de conserver l information de luminance qui est videmment essentielle parmi les outils classiques on trouve le calcul de gradients les transformations r versibles de l histogramme les lissages en intensit le filtrage fr quentiel etc Ce que nous voulons souligner ici avec l exemple de l op tique c est l extension des outils de comparaison aux mod les th oriques Ceux ci peuvent en effet exploiter les possibilit s graphiques de l ordinateur pour synth tiser les images des variations d intensit et donc en quelque sorte concr tiser le mod le Ainsi on peut obtenir l image syn th tis e issue du calcul num rique effectu partir des expressions th oriques apr s avoir sp cifi la longueur d onde la largueur diffractante etc Les figures de diffrac tion Fraunhoffer par des pupilles rectan
7. DES IMAGES POUR DES ACTIVIT S SCIENTIFIQUES apport des nouvelles technologies dans l enseignement de la physique Daniel Beaufils Jean Claude Le Touz H l ne et Bernard Richoux Un travail d investigation a t men au d partement Technologies nouvelles et ducation de l INRP pour tenter de d gager des possibles en terme d activit s scientifiques avec l image en physique Restant dans la probl matique de transposition d outils de laboratoire dans l enseignement des sciences le travail a port sur la recherche de pratiques scientifiques pouvant servir de r f rence la r alisation de logiciels permettant de transposer la fois outils et activit s et l exp rimentation d activit s scientifiques avec des l ves et des tudiants Ces propositions d utiliser limage pour mesurer analyser confronter mod le et r alit conduisent des interrogations sur la nature et le statut des images photographies films images num ris es images calcul es graphiques abstraits et sur les capacit s ou difficult s des l ves travers une pr sentation des outils et des essais d activit s scientifiques que nous avons r alis s nous voulons ainsi montrer concr tement l mergence de questions pos es la didactique des sciences par l volution technologique Les outils informatiques de cr ation de traitement et de res titution d images logiciels pour modes graphiques haute r solution inte
8. Learning in Actes de la International Conference on Computer Aided Learning and Instruction in Science and Engineering CALISCE 94 Paris 313 320 BLONDEL F M FRUITET J 1992 Titus traitement d images et t l d tection Manuel d utilisation 51p BOUTHEMY P TZIRITAS G 1991 De l image anim e la mesure du mouvement Le Courrier du CNRS Signaux et Images n 77 98 99 CARFI 1992 Une nouvelle approche de la m canique Brochure CARFI n 42 Versailles CARFI 120p CHEVALLIER G MONCLIN A 1995 Miroirs et roues dent es du laboratoire au cin ma Les Cahiers de Sciences amp Vie n 25 hors s rie Comment on a r ussi mesurer la vitesse de la lumi re 68 85 CNRS 1987 Imagerie scientifique Courrier du CNRS n sp cial 66 67 68 CNRS 1991 Signaux et Images Courrier du CNRS n 77 CNRS 1992 La recherche et le sport au CNRS CNRS Info num ro sp cial juin 1992 Collectif 1995 Marey pionnier de la synth se du mouvement Beaune Mus e Marey diffusion Seuil 160 p DUBOY J JUNQUA A LACOUTURE P 1994 M canique humaine l ment d une analyse des gestes sportifs en deux dimensions Revue EPS 224 p DUREY A 1987 Vers des activit s didactiques de mise au point de mod les de physique avec des micro ordinateurs th se Universit Paris 7 320 p DUREY A MARTINAND J L 1994 Un analyseur pour la transposition didactique en
9. a quantit de mouvement on n en parle plus lorsque la photographie d une figure d interf rences sur une cuve ondes fig 2 est fournie c t des calculs analytiques et des courbes math matiques nul moyen n est offert pour confronter les deux 6 Et nous n abordons pas l le cas des images de pure synth se qui peuvent donner la m me repr sentation que celle issue d un disposi tif cas par exemple de certaines structures mol culaires de mat riaux qui sont tr s bien mod lis es par des algorithmes de morphologie math matique 7 La question g n rale de la r f rence des situations de la vie cou rante comme l gitimation de certaines tudes m rite elle seule une analyse d taill e hors de notre propos ici 153 Fig 1 Choc raquette balle Fig 2 Interf rences la surface l importance de l volution technologique d une cuve ondes La situation est videmment semblable pour ce qui concerne les films p dagogiques Tr s souvent le point de vue adopt est celui de la visualisation observation de sorte que les conditions de prise de vue ne sont pas calibr es point de vue en perspective cam ra mobile 8 absence de rep re d chelle ou de temps Dans d autres cas les images propo s es sont souvent devenues des images pr trait es qui montrent bien le ph nom ne mais qui par le choix d un objet sp cifique un pr marquage ou des astuces de prise de vue j
10. aire nous inscrivant implicitement dans une conception du learning by doing l apprentissage c est aussi la consolidation et la structura tion des connaissances et celles ci passent par la mise en uvre voire la mise l preuve des savoirs et savoir faire enseign s 26 Notre travail a ainsi comport plusieurs parties recherche de pratiques pouvant tre prises en r f rence propositions de transposition d outils et d activit s r alisation de logiciels et propositions et exp rimentations de d marches d investi gation scientifique nouvelles avec des l ves Au del de cette pr sentation d un travail d innovation didactiquement contr l e nous pensons avoir montr que les diff rents aspects concernant la manipulation des images la lecture des graphiques la ma trise des outils de mod lisation sont autant de sources de questions et donc autant de sujets d tudes qu il conviendrait de mener tant sur le plan didac tique proprement dit c est dire en liaison forte avec les contenus leurs d finitions et leur enseignement que sur le plan des sciences cognitives et qui d s lors sortent en partie de la probl matique initiale Il nous semble en particulier qu un travail important serait mener sur ce que nous pourrions peut tre appeler la dis tanciation due l image comme nous l avons voqu pr c demment le fait d acc der au ph nom ne uniquement travers son enregistrem
11. connaissance minimale et des outils et du domaine 168 l peut tre avan ons nous vers un point de vue assez g n ral puisque tre initi peut signifier suivant les cas avoir fait l exp rience qui a permis de filmer le ph nom ne l l ve voit alors l exp rience dans le film ou avoir les connaissances th oriques n cessaires cas des images de l invisible ou du quasi invisible en particulier telles que peuvent tre celles de l univers lointain de l univers mol cu laire ou de l int rieur du corps Enfin la question est souvent pos e sur un plan plus ambigu celui d une p dagogie teint e d pist mologie repo sant sur l id e un peu vague d une unique vraie physique la didactique celle que l on fait avec les mains or non seulement l uni interpell e cit implicitement nonc e est facilement contestable 27 mais peut tre est il temps de se demander si cette image n est pas d su te ne valant gu re que pour la physique gali l enne enseign e au lyc e Mais peut tre l arriv e des nou velles technologies dans l enseignement scientifique est elle l indice d un tel changement Daniel BEAUFILS g Jean Claude LE TOUZE Bernard RICHOUX H l ne RICHOUX D partement Technologies nouvelles et ducation INRP R F RENCES BIBLIOGRAPHIQUES BEAUFILS D 1988 Images assist es par ordinateur avec des images faire de la physique d abord in Actes des
12. ec le ph nom ne h sitations impr cisions erreurs parfois Mais on aura ici bien l esprit que ces difficult s ne sont pas sanction nables elles sont repr sentatives de l effort intellectuel n cessaire pour associer les portions de courbes aux dif f rentes phases du mouvement qu il faut se repr senter dans sa dynamique partir de la photographie et consti tuent bien videmment un l ment formatif tr s fort de ce travail 3 2 Le mouvement d un gymnaste soleil la barre et sortie en salto tendu L tude du mouvement d un gymnaste effectuant un soleil la barre fixe suivi d une sortie en salto tendu analyse des diff rentes phases du centre de masse a t propos e des tudiants de DEUG 2 me ann e dans le cadre de leur stage de physique 24 L objectif formatif tait double offrir l oc casion comme pour l exemple ci dessus de mettre en uvre leurs connaissances de physique pour tudier un mouvement complexe et composante importante du travail les amener prendre en charge la conduite d une d marche compl te depuis la sp cification du protocole exp rimental jusqu la production d un rapport scientifique La t che a bien videmment t rendue r alisable par la mise disposi tion de moyens d enregistrement cam scope de num risa tion carte sp cifique de mesurage logiciel Image et de calcul ordinateur La phase th orique a ainsi port sur la mani re de m
13. ent est en effet souvent per u comme une perte de r alisme les l ves perdent le contact avec le r el avec la r alit du ph nom ne La question se pose sur le plan des apprentissages s il est sans doute vrai que la manipulation est un facteur de concr tisation favori sant la construction de repr sentations mentales il semble l gitime de penser que la possibilit de manipuler le film en le passant au ralenti image par image en avant ou en arri re en marquant les positions successives de telle ou telle partie etc est une activit non seulement tout aussi concr te mais qui permet d entrer dans le ph nom ne d une mani re telle qu aucune observation en direct aussi attentive qu elle soit ne permettrait de faire Mais la repr sentation mentale du r el est elle accessible par la vision de repr sentations imag es La lecture d une image n est elle pas n cessairement en profondeur la fois dans la profon deur historique de l image son origine mais aussi dans la profondeur de la connaissance En d autres termes l impor tant est peut tre que l l ve puisse finalement travailler non pas sur l image mais dans l paisseur de l image ce n est pas l image que l l ve doit voir mais le ph nom ne qui s y trouve et qui s y trouve cach pour le non initi Et 26 Ceci est en effet coh rent et compatible avec l introduction d outils labor s qui n cessitent une
14. eul acc s au ph nom ne sinon invi sible ensuite celle li e la manipulation autonome des dispositifs informatis s et enfin celle du challenge ainsi 22 Les copies d crans sont celles du logiciel g n ral de mod lisation Regressi que les l ves ont appris utiliser les mesures effec tu es avec le logiciel Table ayant t transf r es par un fichier stan dard 23 Le mot recouvre en fait diff rents aspects une esth tique plastique r elle mais donc subjective et une esth tique li e un r alisme reconnaissable il ne s agit pas d une photographie ne montrant que des taches blanches se d tachant sur un fond noir l tude compl te d un syst me complexe de la mise au point du protocole la mod lisation biom canique 165 propos En effet il tait clair pour les l ves que cette tude manifestement non l mentaire leur tait donn e avec les moyens de r aliser la t che les connaissances de phy sique qu ils avaient apprises et les outils de mesure et de traitement informatis s d s lors c est bien de leur sagacit et de la qualit du travail qu allait d pendre l aboutissement de ce travail d investigation scientifique Comme pour toutes les situations de ce type les l ves ont ma tris la partie technique des diff rentes manipulations mais ont prouv quelques difficult s dans la lecture et l in terpr tation des graphiques en liaison av
15. eux de couleurs surimpression graphique etc montrent ce qu il faut voir et ce sans rien avoir faire 9 1 3 Avec des images faire de la physique d abord Les pratiques de r f rence voqu es puis les critiques men tionn es ci dessus indiquent clairement notre point de vue Ce que nous proposons aujourd hui dans notre approche c est bien une imagerie comme outil et m thode scienti fique 10 o l assistance informatique est naturellement essentielle Notre proposition est aujourd hui r aliste compte tenu de l volution des technologies de cr ation de traitement et de restitution d images accessibles un large 8 Alors que la suite du document explique l importance de choisir un r f rentiel li au sol 9 En cho la note 5 on peut voquer le cas des repr sentations r alistes qui figurent dans ces m mes manuels scolaires ou ces m mes films p dagogiques qui ne sont parfois que des dessins Mais ceci est en dehors de notre propos 10 On retrouve le sens du terme imagerie lorsqu il est utilis dans l ex pression imagerie m dicale 154 transposition d outils et d activit s invariants outils informatiques public logiciels pour modes graphiques haute r solution interfaces sp cifiques pour exploiter la vid o lecteurs de disques optiques compacts CD ROM CD photo ete elle est m me d autant plus r aliste dans l enseignement des sciences physiq
16. gulaires ou circu laires sont faciles obtenir 20 la forme g n rale mais aussi les variations d intensit lumineuse et m me l impres sion de couleur peuvent tre rendues fig 14 Fig 13 Exemple de relev d un profil Fig 14 Image issue du calcul th orique d intensit sur une image num ris e d une figure de diffraction par une figure d interf rence Perot Fabry ouverture rectangulaire 19 Nous voquons le cas d une acquisition directe partir d une cam ra branch e sur une carte de num risation mais il est gale ment possible d envisager la r alisation de clich s photographiques documents papiers de tr s bonne d finition facilement distri buables et d en faire une image num rique de moindre qualit n cessairement l aide d un scanneur 20 Le cas de la pupille circulaire est int ressant car le calcul analytique conduit une int grale qui n est calculable que num riquement fonctions de Bessel 163 3 DES UTILISATIONS AVEC L VES ET TUDIANTS Ces diff rents logiciels ont t utilis s avec des l ves de classes scientifiques de lyc es et avec des tudiants de DEUG En phase d laboration les exp rimentations per mettent de prendre en compte de nouvelles contraintes mat rielles et conduisent en g n ral une am lioration des logiciels eux m mes Ensuite le travail d exp rimentation est plus tourn vers la d finition d activit s et le re
17. i c l bres marcheurs sau teurs chutes et rebonds de balles envols d oiseaux etc Bien videmment les exploitations actuelles de la photogra phie et du film b n ficient de nouvelles technologies l assis tance informatique en particulier et les utilisations pour mesurer analyser mod liser etc se sont largement ten dues et diversifi es 2 Recherches Activit s exp rimentales sur l image assist es par ordinateur 1988 1992 et Etude du transfert d outils d acquisi tion de traitement et de restitution d images num riques dans len seignement des disciplines scientifiques 1992 1995 3 Voir FRIZOT 1983 BEAUNE collectif 1995 4 Cette date vaut pour la France Le choix de E J Marey a t fait sous l influence de l am ricain Muybridge seul reconnu par nos coll gues anglo saxons GRAHAM 1991 et des pratiques actuelles le choix entre la re pr sentation concr te et la repr sentation abstraite 151 1 1 L imagerie dans l activit scientifique actuelle du physicien Comme le souligne J C Charpentier dans un num ro sp cial du Courrier du CNRS 1991 le traitement du signal et de limage s tend vraiment sur tous les champs scientifiques qui peuvent s inscrire dans le continuum capter analyser fil trer exploiter pour interpr ter reconna tre comprendre d ci der et agir Ainsi sans m me aborder le vaste domaine de l imagerie m dicale
18. lev d in formations pr cieuses sur les aptitudes et les attitudes des l ves Nous ne donnons ci dessous que le sch ma de quelques unes de ces activit s 21 nous permettant de sou ligner quelques aspects didactiques 3 1 L tude d un mouvement particulier quand le fil casse En classe de Premi re S les mouvements sont tudi s sur le plan nerg tique Les l ves apprennent l utilisation des dif f rents concepts d nergie et savent qu un syst me conser vatif poss de une nergie m canique constante L activit ci dessous conduite la fin des cours et TP sur la partie nergie du programme visait la mobilisation et l utilisation des connaissances des l ves pour tudier un mouvement non standard La chronophotographie suivante fig 15 montre le mouve ment d une balle accroch e un fil lanc e vers la gauche elle d crit d abord un arc de cercle puis sa vitesse tant trop faible elle d croche et retombe suivant une trajectoire parabolique jusqu ce que le fil se casse Fig 15 Chronophotographie du mouvement d une balle accroch e un fil 21 D autres exemples d taill s sont donn s dans le rapport de recherche INRP 1992 voir galement BEAUFILS LE TOUZ 1993 164 l tude d un ph nom ne par le jeu de confrontation entre la photographie et des repr sentations abstraites Les l ves doivent partir de mesures effectu es sur l i
19. mage d terminer avec pr cision l instant du d crochage et celui de rupture du fil Puis partir de ces m mes mesures ils doivent calculer les diff rentes nergies pour tudier la conservation ou la non conservation de l nergie m canique Ils doivent ensuite interpr ter les diff rents r sultats Pour conduire ce travail les l ves ont utilis le dispositif avec la tablette num riser d crit pr c demment fig 3 Disposant d une copie de la photographie ils ont ainsi r a lis le relev des coordonn es des positions successives de la balle Ils ont alors pu obtenir les repr sentations de la trajectoire de la distance au centre en fonction du temps et des diff rentes nergies en fonction du temps galement Parmi les repr sentations qui ont t consid r es comme pertinentes par les l ves figurent celle de la distance au centre fig 16 qui permet de rep rer les trois phases du mouvement et celle de l nergie m canique sur laquelle on peut voir la fois les phases de conservation de l nergie et l effet dissipatif de la cassure fig 17 22 Fig 16 Distance au centre Fig 17 Variation des nergies m ca en fonction du temps nique et cin tique au cours du temps La grande motivation observ e chez les l ves s explique par diff rents points d abord sans aucun doute celle li e la chronophotographie qui outre sa composante esth tique 23 constituait le s
20. nes celui o l information que l on recherche est dans la position de certains points constitutifs de l image cas de la m canique du solide ou des syst mes d formables de l astronomie etc et celui o celle ci est dans la valeur m me des pixels cas de l optique ondula toire de la thermographie de l astrophysique etc Diff rents logiciels ont t r cemment r alis s pour l analyse de chronophotographies l aide d une tablette num riser Beaufils 1990 b Beaufils et Le Touz 1992 et pour l exploi tation d images num ris es obtenues par scanneur ou num risation vid o Le Touz et Beaufils 1992 17 Nous donnons ci apr s quelques l ments un peu techniques la fois comme concr tisations de nos propositions de transpo sition d outils et comme informations n cessaires la des cription des activit s d l ves et d tudiants que nous donnerons ensuite 2 1 L tude de chronophotographies papier vers des espaces abstraits Certains ph nom nes peuvent tre enregistr s sous forme de photographies photographie classique pour des ph nom nes statiques ou stables forme d une corde suspen due jet d eau ondes stationnaires sur un fluide etc ou chronophotographie pour l enregistrement de mouvements 18 L exploitation de ces documents est rapidement fasti dieuse lorsqu elle est effectu e la main une tablette num riser surface active sur laquelle on peut releve
21. od li ser le corps humain pour pouvoir calculer la position du centre de masse du gymnaste et son moment d inertie La prise de vue a t r alis e en gymnase avec un enseignant de gymnastique L enregistrement a ensuite t num ris image par image fig 18 et l exploitation a commenc par le relev des coordonn es successives des diff rents points de rep rage du corps t te main coude paule hanche genou et talon partir de ces donn es les tudiants ont pu repr senter le mouvement du gymnaste 25 par une sil houette fil de fer kinogramme fig 19 calculer les coordon 24 Organis et suivi par Alain GUILLON Universit Cergy Pontoise INRP 1992 voir galement BEAUFILS et al 1994 25 Les tudiants ont pour cela crit un petit logiciel sp cifique 166 n es du centre de masse et tudier la vitesse Vx en fonction du temps en particulier d terminer l instant de transition entre les deux phases du mouvement circulaire puis para bolique Fig 18 Mouvement du gymnaste Fig 19 Kinogramme reconstitu partir une des images num ris es des relev s sur les images successives une imagerie scientifique dans l enseignement de la physique Dans ce cas encore la manipulation technique des outils d enregistrement vid o de num risation de mesure etc n a pas soulev de difficult s importantes et c est essentielle ment la planification du travail l analyse critiq
22. on peut trouver des exemples o l image est au centre de l activit de mesurage depuis l tude de vastes syst mes mesures oc anographiques par tomogra phie acoustique d tection base de capteurs CCD pour l exploration de l univers lointain celle de zones tr s pr cises diffraction pour contr ler la fabrication d un film ato mique en passant par des chelles plus habituelles tude des coulements turbulents analyse du mouvement sportif CNRS 1992 Le traitement de l image est videmment essentiel dans les activit s d analyse et de mod lisation analyse des signaux acoustiques voix bruits moteurs etc analyse de la structure des champs lectromagn tiques de l ionosph re reconnaissance de formes et d tection de contours analyse de sc ne dynamique etc Ces exemples rapidement voqu s montrent l vidence l importance du champ de pratiques scientifiques de l image Mais ils montrent galement qu il convient d abord de distin guer les situations o l image est la reproduction ventuel lement dilat e ou contract e dans le temps ou l espace de la nature spatiale du ph nom ne tudi cas des tudes de contours formes ou mouvements par enregistrement d ondes lumineuses lectromagn tiques ou acoustiques de celles o ce sont des technologies d imagerie qui permettent d obtenir des repr sentations graphiques d informations multidimensionnelles fournies par d autres types de cap
23. pr s pixel la diff rence des dis tances aux sources et de placer un point noir lorsque celle ci est un multiple de la longueur d onde le trac th o rique est donc non seulement obtenu partir des point s l image mais de plus se trouve fait sur l image elle m me De sur laquelle m me pour l tude d un mouvement il est possible d obte on peut crire nir superpos s l image les trac s th oriques issus d une mod lisation lorsque l image est incrust e partir d un cam scope on peut repasser image par image et confronter la trajectoire calcul e au d placement de l objet fig 12 lorsque l image est num ris e le trac de la trajectoire peut tre obtenu avec la repr sentation de l objet lui m me pr le v e sur une portion d image mod lisation du mouvement lt sans frottement translation pa parabolique mouvement r el stroboscop d un volant de badminton Fig 11 Interf rences sur une cuve Fig 12 Chronophotographie ondes photographie et superposition d un mouvement et repr sentation du trac calcul du mouvement calcul par simulation num rique Si le r alisme de la photographie ou du film a son impor tance dans l intelligibilit du ph nom ne alors on aura compris que le travail direct sur le document depuis la mesure jusqu aux trac s th oriques puisse constituer une hypoth se int ressante pour l intelligibilit et le r alisme des mod les enseign
24. ptique ondulatoire Ainsi en m canique nous avons propos l instar de J Marey de laisser une partie des dispositifs d ExAO 12 complexes pour les remplacer par l tude des ph nom nes photographi s ou film s le choix de l appareil photographique et de la cam ra tient ici au fait qu ils constituent des capteurs particuli rement int ressants puisque non seulement ils ne perturbent pas le ph nom ne mais de plus permettent d tudier des mou vements plans non rectilignes de points quelconques d objets quelconques Pour l optique la matrice de cap teurs de la cam ra constitue un capteur naturel pour un grand nombre de ph nom nes ondulatoires figures de dif fraction ou d interf rences Ainsi dans le sch ma typique d une activit d investigation scientifique 13 telle que nous la proposons le point de d part est une question de physique pos e propos d un ph nom ne pour lequel un enregistrement photographique ou filmique est possible et dont la r ponse n cessite une 11 Voir DUREY 1987 BEAUFILS 1991 WINTHER 1993 notamment 12 Exp rimentation Assist e par Ordinateur sigle quasiment consacr par lusage 13 Voir BEAUFILS 1993a investigation scientifique et carts 155 analyse quantitative l enregistrement tant r alis les mesures n cessaires sont effectu es sur l image puis les calculs et repr sentations de diff rentes grandeurs phy sique
25. r les coordonn es de tout point l aide d un curseur permet dans ce cas d assister le travail et de rendre la t che r ali sable fig 3 Le document tant fix sur la tablette il suffit d effectuer un premier pointage de l origine du rep re choisi puis de sp cifier l chelle en cliquant un point d abscisse connue l origine tant connue et le facteur d chelle cal cul tout rep rage d un point de la photo donne une valeur en coordonn es r elles 17 Un logiciel sp cifique pour l tude d images satellitales galement t r alis lors d une recherche ant rieure BLONDEL FRUITET 1992 18 Une exploitation de documents de ce type pour le cours de m ca nique classique figurait dans les programmes des ann es 70 inspi r s des cours canadiens HPP et PSSC on peut galement penser au d pouillement de traces plus complexes comme les clich s de chambre bulles pour l tude des particules ancien programme de Terminale scientifique 157 tablette pe is ordinateur Fig 3 Dispositif d acquisition avec tablette num riser S il s agit d une chronophotographie voir exemples d illus trations dans la suite fig 4 5 et 6 l l ve doit alors poin ter les positions successives de l objet dont il veut tudier le mouvement Son geste reproduit ainsi en partie le mouve ment et les points repr sentatifs des mesures apparaissent au fur et mesure dans les rep res d e
26. ran du logiciel TABLE 2 2 La num risation ou l incrustation rester dans la r alit Il est aujourd hui possible d obtenir l affichage des photogra phies directement sur l cran d un ordinateur partir d un document papier il suffit d utiliser un scanneur partir d un document vid o il faut soit num riser la s rie d images soit utiliser la technique d incrustation En m canique o la mesure porte toujours sur des coordonn es ou des dis tances le relev peut alors se faire directement l aide de la souris et d un pointeur graphique que l on d place sur l cran Ceci constitue naturellement une facilitation par rapport la technique pr c demment pr sent e Mais l int r t se situe dans les outils de traitement d image et de confrontation mod le donn es Lorsque l image est num ris e il est possible de lui appli quer des outils de traitement Dans le cas pr sent les outils utiles sont ceux qui permettent la pr paration le net toyage de l image suppression du bruit binarisation d fi nition de contour Ainsi partir d une image brute il est possible d estomper le fond puis d obtenir le squelette de l objet dont on veut tudier la forme ou le mouvement fig 7 8 9 et 10 160 Fig 7 Photographie d un jet d eau Fig 8 Jeu sur la palette pour estomper le fond et faire ressortir la trajectoire Fig 9 Image extraite du film d un Fig 10 Image i
27. rfaces sp cifiques pour exploiter la vid o lec teurs de disques compacts CD photo etc constituent la base potentielle de proc d s didactiques pour toutes les dis ciplines d enseignement Les disciplines scientifiques et en particulier les sciences physiques se distinguent puisque le fim et ces nouveaux outils peuvent galement tre mis au service la photographie de nouvelles activit s d investigation scientifique la comme cam ra et l appareil photographique en particulier peuvent m thode en effet constituer les capteurs qui avec l ordinateur aux scientifique quels ils sont connect s permettent la mesure le traite ment de donn es l analyse et la mod lisation des r sultats Cette approche sp cifique o l image est prise tout la fois comme objet et moyen d activit s scientifiques pour les l ves et o ces activit s sont rendues plus riches et plus r alistes gr ce l utilisation de technologies performantes s inscrit donc dans le paradigme ordinateur outil de labora toire 1 Des travaux de recherche ont ainsi t men s par Tunit Informatique et enseignement de l INRP pour explorer les possibles en termes de transposition d outils et d activi 1 Voir bibliographie en particulier BEAUFILS 1993a et b ASTER N 22 1996 Images et activit s scientifiques INRP 29 rue d Ulm 75230 Paris Cedex 05 150 une id e ancienne t s dans l enseignement secondaire Les quelques l
28. s permettent l analyse des donn es et la confrontation mod le mesures La transposition propos e porte donc clai rement sur deux plans simultan s celui des outils et celui des activit s Notons ici que la connexion des moyens d ac quisition de l image cam ra appareil photographique scan neur etc un ordinateur constitue videmment un atout majeur les possibilit s de m morisation de calcul de repr sentation graphique et de mod lisation rendent plus r alistes les t ches d investigation scientifique que l on peut proposer aux l ves c est dire la fois techniquement r alisables et plus proches des activit s du physicien cher cheur Ajoutons enfin que du point de vue des conceptions de l apprentissage c est bien videmment un cadre constructiviste que nous privil gions la mise en avant de l activit scientifique n est pas seulement la volont d impo ser une r vision du mod le du physicien 14 mais aussi celle de favoriser la mise en place d activit s fortement for matives pour les l ves et les tudiants En termes d carts il est facile de voir que sur le plan des outils la nature et la complexit des outils mis disposition des l ves et des tudiants sont n cessairement moins importantes que celles du chercheur Mais il est tout aussi facile de voir que la sp cification d une activit en termes de mesurage mod lisation th orique et confrontation mod le donn es m me si
29. space temps x t et y t Fig 4 Rebonds d une balle relev s de l abscisse et de l ordonn e au cours du temps copie d cran du logiciel TABLE des outils de calcul et de repr sentation graphique Ces donn es ainsi obtenues constituent donc un ensemble de triplets t x y qui peut tre utilis dans le calcul de nou velles grandeurs vitesse acc l ration nergies il est alors possible d obtenir un grand nombre de repr sentations abs traites en choisissant parmi les grandeurs ainsi disponibles celle que l on veut porter sur l axe des abscisses et celle que l on veut porter sur l axe des ordonn es 158 Fig 5 Exemples de repr sentations graphiques repr sentation des composantes horizontale et verticale de la vitesse au cours du temps d une balle qui rebondit le choix et la manipulation d espaces abstraits copie d cran du logiciel TABLE Le travail ult rieur est g n ralement dans ce cas la recherche d un mod le qu il soit math matique et purement descriptif des mesures ou d duit de fa on th orique des quations fondamentales de la m canique Pour mener bien le travail de comparaison et ou d ajustement de mod le deux outils de calcul et de repr sentation graphique doivent tre disponibles le trac point par point d une fonction math matique en superposition des points exp rimentaux quel que soit l espace de repr sentation choisi la r solution num
30. ssue d un traitement cylindre roulant sur un plan inclin par binarisation et calcul de contour l image que l on peut traiter C est donc ici la possibilit de travailler l image qui est dis ponible L objectif du traitement n est videmment pas de trafiquer l image mais de faciliter les rep rages ult rieurs et concr tiser le passage de l objet reconnaissable la forme sch matis e dont on suivra l volution ces possibi lit s permettent donc d une part de r aliser une mod lisa tion graphique une abstraction interm diaire tape importante m me si elle n est pas toujours explicit e en tant que telle et d autre part d offrir l l ve la possibilit de faire lui m me cette manipulation L autre point int ressant est la possibilit de superposer l image elle m me des ensembles de points exp rimentaux des sch mas g om triques et des courbes th oriques d s lors l cran n est plus seulement l espace de la confrontation mod le donn es mais aussi celui de la confrontation directe mod le ph nom ne Ainsi titre d exemple les figures d interf rences la surface d une cuve ondes fig 11 peuvent elles tre compar es directement au mod le ondulatoire sur l image num ris e partir d un clich pho 161 tographique et affich e sur l cran il est facile de pointer les deux sources et de relever la longueur d onde puis par it ration de calculer pixel a
31. tre pratiques de r f rence et activit s scolaires in La transposition didactique l preuve Grenoble La pens e sauvage 73 104 170 FORT B 1991 Imagerie CCD de l univers lointain Courrier du CNRS Signaux et Images n 77 20 21 GLOVER D M et al 1989 The CCAT videodisk a new resource for physics education Phys Educ vol 24 5 304 308 GRAHAM GR 1991 Let s see it for real a new medium for an old message Phys Educ vol 26 6 355 358 GUILLON A 1992 Travaux pratiques de physique en DEUG et d marches scientifiques in Actes du 3 me S minaire national de Recherche en Didactique des Sciences physiques Toulouse universit P Sabatier 11 24 INRP 1987 Du satellite la classe collection Rencontres p dagogiques n 17 Paris INRP 126 p L ARD M 1988 Images et sciences physiques in Journ es Informatique et Sciences Physiques Actes des troisi mes journ es UdP Grenoble 39 46 LE TOUZ J C BEAUFILS D 1992 Des images num ris es en physique in Actes des journ es Informatique et P dagogie des Sciences Physiques Paris UDP INRP 75 80 MOTTET G 1994 Des images pour apprendre les sciences in Actes du colloque Audiovisuel et formation des enseignants INRP Paris 117 146 OVERCASH DR 1987 Video analysis of motion Physics Teacher n 8 vol 25 SALAM N BEAUFILS D BLONDEL F M 1993
32. troisi mes journ es Informatique et P dagogie des Sciences Physiques UDP INRP 117 122 BEAUFILS D 1992 Ordinateur outil de laboratoire dans l enseignement des sciences physiques propositions pour la construction d activit s premi re analyse des difficult s et des comp tences requises chez les l ves de lyc e LIREST Universit Paris 7 BEAUFILS D 1993a L ordinateur outil d investigation scientifique au lyc e propositions et implications didactiques Didaskalia n 1 123 130 BEAUFILS D 1993b Constructions d activit s scientifiques en classes de lyc e propos de l ordinateur outil de laboratoire in Actes du colloque Recherches en didactiques contribution la formation des ma tres Paris INRP 27 L astrophysique ne serait elle pas de la vraie physique par exemple 169 BEAUFILS D LE TOUZ J C 1992 Activit s exp rimentales sur l image avec l ordinateur enseignement de la physique INRP rapport interne n 92 4 09 160 p BEAUFILS D LE TOUZ J C 1993 Images et nouvelles technologies pour l enseignement de la physique Bulletin de l Union des Physiciens n 758 1343 1365 BEAUFILS D LE TOUZ J C BLONDEL F M 1994 Images as a basis for computer modelling Physics Education 29 89 93 BEAUFILS D BLONDEL F M LE TOUZ J C GUILLON A 1994 Datalogging and Modelling of Motion in Physics
33. ue des r sul tats et la r daction d un compte rendu scientifique qui ont demand de l aide de la part de l enseignant La question de l importance accorder la r alisation de l enregistrement se trouve pos e Lorsqu un document tout fait est donn aux l ves la critique des enseignants est g n ralement imm diate il faut que les l ves manipulent Or cet exemple montre que vouloir tudier des situations plus ouvertes peut tre difficilement compatible avec leur repro duction en classe et que faire r aliser un enregistrement satisfaisant par chaque l ve peut tre r dhibitoire Par ailleurs il faut avoir l esprit que la manipulation d objets ad hoc tels que bille de la chute mobile autoporteur etc ne constitue de fa on indiscutable ni un argument de r a lisme ni une aide didactique 4 DES QUESTIONS POUR LA DIDACTIQUE Les images peuvent elles favoriser l activit de l l ve dans les diff rents registres de l apprentissage des sciences Quels types d images peuvent tre en interaction forte avec des activit s didactiques et comment Les exemples que nous avons fournis donnent quelques l ments de r ponse dans le cadre d une orientation pr cise celle o l image est un l ment d une activit d investigation de l innovation au questionnement didactique 167 scientifique Nous pouvons dire qu l image pour mon trer nous avons pr f r l image pour f
34. ues que l ordinateur est d j pr sent depuis plusieurs ann es pr cis ment au titre d outil de labora toire et donc porteur de r f rences des pratiques scienti fiques 11 Cette r f rence des pratiques de laboratoire ne signifie pas que l on cherche transf rer les outils tels quels ni repro duire l gal des activit s de recherche dans un enseigne ment de lyc e ou d universit La transposition des outils et des activit s est en fait caract ris e par deux points l exis tence d invariants caract risant la transposition propos e et celui d carts entre les pratiques et les outils de r f rence et les activit s et moyens transpos s ainsi les activit s et les outils que nous avons t amen s proposer dans le cadre d un enseignement de science sont donc reconstruits et donc diff rents mais sur des points fixes assurant le contr le de l innovation et la coh rence de la d marche Nous avons ainsi situ nos points d articulation principaux sur les fonctionnalit s des outils eux m mes num risa tion calculs scientifiques automatis s acc s des repr sentations graphiques multiples et vari es etc et sur une activit scientifique centr e sur la mod lisation mesu rage mod lisation th orique et confrontation mod le don n es Dans l tat actuel des travaux men s deux domaines se sont trouv s privil gi s la m canique newtonienne clas sique et l o
35. une figure extr mement complexe de laquelle par des calculs complexes on extrait l information sur certaines positions d atomes ou de groupes d atomes ensuite un logiciel permet de calculer partir de formules th oriques et de visualiser des volumes que le chercheur l aide d un syst me de visualisation tridimensionnel ajuste en fonction de ses connaissances et des hypoth ses de structure Dans ce cas la part de la th orie et celle du chercheur sont loin d tre accessoires 6 1 2 L imagerie scientifique dans l enseignement de la physique Les manuels scolaires r cents regorgent d images de ph no m nes physiques mouvements d objets simples mouve ments de sportifs ondes sur une surface fluide figures d interf rences ou de diffraction lumineuse etc Mais la plu part d entre elles n ont gard qu une valeur illustrative et ne sont l que pour voquer chez les l ves un ph nom ne suppos connu par ailleurs et justifier implicitement l tude de telle ou telle notion 7 Outre le fait que les photo graphies ont g n ralement perdu toute indication d chelle d espace et de temps qui en ferait des clich s scientifiques la critique g n rale de l introduction de ces images de ph nom nes de r f rence est l absence de tout recours et de tout retour elles lorsque la photographie du choc raquette balle fig 1 par exemple a t montr e en intro duction de la le on sur l
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