Les réformes ! Enseignements - Chauvin Arnoux
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Novembre 2011
n° 10
de l'instrumentation
Le journal d'information
pour l'enseignement
de Chauvin Arnoux et Metrix
Enseignements
scientifiques & technologiques
Les réformes !
édito
Enseignements des sciences
et des technologies :
les réformes * sommaire
❖ Le Club 1
Les publications du Club 1
Samuel VIOLLIN
Inspecteur d’Académie - Inspecteur pédagogique ❖ Réforme 2
régional de sciences et techniques industrielles à
Créteil Enseignements des sciences
& des technologies : rénovation complète 2 - 6
Les nouvelles générations devront relever des défis majeurs
pour l’humanité. La population mondiale pourrait dépasser
❖ Etude de cas 7
les 10 milliards d’humains en 2050 puis les 15 milliards en Concevoir une étude de cas
2100(1) . Quelques soient les scénarios, les ressources en "Création et Innovation Technologique" :
énergies fossiles s’épuiseront en quelques décennies. Ces Contrôle d'accès par serrure RFID 7 - 14
évolutions imposent de trouver des solutions pour partager
durablement les ressources naturelles. Il faudra répondre ❖ Mesurage 15
aux besoins fondamentaux de chaque être humain pour l’ali-
L'oscilloscopie selon Metrix 15 - 22
mentation, les soins, l’éducation, la mobilité, la communica-
tion, etc. Ces évolutions pèsent sur le développement des
sociétés, agissent sur leurs économies comme des freins ou ❖ TP 23
des accélérateurs selon leur histoire et leur géographie. Mesure de signaux téléphonique,
L’Europe et donc la France se trouvent confrontées à une audio et vidéo avec l'oscilloscope
concurrence des pays émergents, aussi bien dans le domaine MTX 162 UEW 23 - 27
de la recherche et du développement que dans les secteurs
des services et de l’industrie. Pour relever ces défis, l’éduca- ❖ Pédagogie 28
tion et la haute qualification des personnes dans les
domaines scientifiques et technologiques sont des leviers L'apprentissage par problèmes et par
indispensables. L’objectif de Lisbonne porte à 50% la propor- projets : le robot filoguidé "gamelle" 28 - 33
tion d’une classe d’âge titulaire d’un diplôme de l’enseigne-
ment supérieur. ❖ Gardons le sourire 34
La génération des enfants qui entre au collège cette année sera
encore en situation d’activité dans un demi-siècle. Que faut-il
apprendre à ces jeunes gens et quelles compétences doivent-ils
acquérir pour qu’ils soient en capacité de mener à bien ces
grands chantiers ? Comment faire en sorte qu’ils soient assez ❖ Les Cahiers de l’Instrumentation
nombreux à choisir les filières scientifiques et technologiques
Directeur de la publication :
pour former les ingénieurs et techniciens dont nos économies Marlyne Epaulard
auront besoin ?
Rédacteur en chef :
Dans le prolongement des efforts consentis à l’école primaire Didier Bisault
pour valoriser les voies scientifiques et technologiques, les
rénovations menées d’abord au collège puis au lycée général et Comité de rédaction :
technologique, portent l’ambition d’accroître le nombre et le Luc Dezarnaulds, Marlyne Epaulard,
niveau des jeunes formés aux métiers des sciences et des tech- Marie Courrière, Claude Royer,
Didier Villette, Didier Bisault
nologies.
Revue d’informations techniques
L’article sur la réforme des enseignements scientifiques et
Le Club du Mesurage
technologiques met en perspective et cohérence les réformes
190, rue Championnet
aux différents cycles. Il précise les contenus et les objectifs des 75876 Paris Cedex 18 - France
enseignements du collège et du lycée, de la classe de seconde Tél. : +33 1 44 85 44 20
jusqu’aux cycles terminaux STI2D et S-SI. Fax : +33 1 46 27 07 48
(*) Cet éditorial introduit l’article « Enseignements des sciences et des tech-
E-mail : info@leclubdumesurage.com
nologies : rénovation complète » en p. 2 qui développe et précise les objec- Web : www.leclubdumesurage.com
tifs et le contenu de ces réformes.
Conception graphique, réalisation :
1 - Source : communiqué de l’ONU du 3 mai 2011 “ World Population to reach 10 AD.Com / +33 (0)1 43 68 03 43
billion by 2100 if Fertility in all Countries Converges to Replacement Level.”
Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011
le club
Les membres du bureau du Club du Mesurage
et du comité de rédaction
Luc Dezarnaulds
Président du «Club du Mesurage» Claude Bergmann
Directeur Commercial France Président d’honneur du “Club du Mesurage”
Chauvin Arnoux Inspecteur Général de l’Education Nationale
luc.dezarnaulds@chauvin-arnoux.com Groupes Sciences et Techniques Industrielles
Marlyne Epaulard Jean-Paul Chassaing
Directrice Communication Président d’honneur du “Club du Mesurage”
Chauvin Arnoux Inspecteur Général STI Honoraire
marlyne.epaulard@chauvin-arnoux.com
Jean-Louis Gauchenot
Président d’honneur du “Club du Mesurage”
Marie Courrière Ancien Directeur
Responsable marché Education Nationale Chauvin-Arnoux Test & Mesure
Chauvin-Arnoux
marie.courriere@chauvin-arnoux.com
Jean-Pierre Collignon
Didier Villette Inspecteur Général de l'Education Nationale
Inspecteur de l’Éducation Nationale Sciences & Techniques Industrielles
Enseignement Technique
Sciences et Techniques Industrielles
didier.villette@ac-grenoble.fr
Luc Prince
Inspecteur de l’Éducation Nationale
Sciences et Techniques Industrielles
Claude Royer Académie de Versailles
Inspecteur de l’Éducation Nationale Honoraire
Enseignement Technique -
Sciences et Techniques Industrielles
claude.royer2@free.fr Patrick Lefort
Inspecteur Pédagogique Régional Honoraire
Sciences et Techniques Industrielles
Didier Bisault
Responsable Communication Salons
Chauvin Arnoux Christian Cagnard
didier.bisault@chauvin-arnoux.com Inspecteur Pédagogique Régional Honoraire
Consultant Expert Education
Philippe Albert
Inspecteur de l'Education Nationale
Sciences et Techniques Industrielles
Les publications du Club du Mesurage : Académie de Nancy-Metz
n° 8
n°6
de l'instru mentat ion
Le journal d'information
pour l'enseignemen
de Chauvin Arnoux et
t
Metrix
de l'instrume ntation
Le journal d'information
pour l'enseignement
Samuel Viollin
Inspecteur d’Académie
de Chauvin Arnoux et Metrix
Notions d’efficacité
énergétique…
de l'instrumn° 9
Inspecteur Pédagogique Régional
Spécial machine enta tion
de l'instrumn° 7
Norme EN 60 204
Le journal
d'inform ation
pour l'enseig
de Chauvin
nement
Arnoux et
Metrix
Sciences et Techniques Industrielles
enta tion Efficacité éne
Le journal
d'inform ation
pour l'enseig
de Chauvin
nement
Arnoux et
Metrix
rgé tique,
du photovolta
au vélo éle ïqu e
Académie de Créteil
Nos Travau ctrique
Nos 2 TP • Commun
x Pra tiques
iquer avec
le Scopix
Sécurité des machines • Courant porte
e ur
Maintenance préventiv • Energie et
plaques de
cuisson
Reportage Novembre
2007
SOCOTEC S.A Les cellules solaires
Octobre 2009
Georges Michailesco
Ancien Directeur de l’IUT
Reportage
de Cachan
Septem
bre 2010
MCC Fagor
& Alecop
Novem
bre 2008
Les cahiers de l’instrumentation, renseignement pratique.
Réda Farah
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d’abonnement gratuit encarté au centre de la publication. Prenez contact avec Enseignement Technique
nous si vous désirez réagir par rapport aux articles publiés, proposer des sujets ou Sciences et Techniques Industrielles
même des articles. Bonne lecture à tous. Académie de Paris
w w w. l e c l u b d u m e s u r a g e . c o m
Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011 1
Réforme
Enseignements des sciences
et des technologies :
rénovation complète
Samuel VIOLLIN
Inspecteur d’académie - Inspecteur pédagogique régional en sciences et technologies industrielles à Créteil
Pourquoi rénover les enseignements des sciences et une des conditions du maintien d’une économie liée à
de la technologie ? la production d’objets manufacturés.
Au-delà même de nos modèles occidentaux, les enjeux Actuellement, les départs à la retraite d’une génération
majeurs pour le développement des sociétés humaines nombreuse (que l’on nomme familièrement les « papy
restent à relever. De nombreuses questions cruciales boomer ») génèrent des besoins importants pour le
n’ont pas encore trouvé de réponse. Par exemple, com- renouvellement des cadres intermédiaires et supé-
ment remplacer les ressources fossiles et faire en rieurs.
sorte que chacun dispose d’énergie sans pour autant Pour élaborer et mettre en œuvre ces solutions nous
dégrader l’environnement, comment accueillir dans de avons besoin de techniciens et d’ingénieurs. En France
bonnes conditions les populations dans des mégalo- environ 30 000 ingénieurs sont actuellement formés
poles en constante expansion, leur permettre l’accès alors que les besoins sont estimés à 40 000. Le vivier
aux services et à la mobilité, comment nourrir, éduquer pour ces formations d’ingénieurs commence à se
et informer un nombre croissant d’humains, comment constituer grâce aux jeunes qui s’orientent vers les
prendre en charge tous les aspects du vieillissement baccalauréats scientifiques et technologiques.
des populations des sociétés occidentales, faire face Malheureusement ce nombre reste insuffisant et en
aux démographies élevées des pays en voie de dévelop- diminution, comme le montre le tableau 1.
pement ?
Dans la filière S le nombre d’élèves qui s’engagent
stagne, voire diminue légèrement depuis 3 ans (-2%).
Dans notre pays, pour répondre à ces défis et pour Par ailleurs, seuls 40% des élèves titulaires d’un bac-
maintenir une croissance économique, il nous faudra calauréat S-SVT poursuivent des études scientifiques
concevoir et mettre en œuvre des solutions innovantes. et technologiques supérieures longues, alors qu’ils
Cela dépendra de notre capacité d’innovation dans les sont 90 % en S-SI (2). Cependant peu d’élèves scienti-
secteurs industriels touchant à la transformation des fiques choisissent cet enseignement spécifique des
sources d’énergie primaire (renouvelables ou fossiles), sciences de l’ingénieur, 10,3% du total des effectifs en
à l’installation et à la gestion des réseaux d’énergies, S et 3,7% du total des effectifs scolarisés en classe de
de fluides, d’informations, aux réseaux de transports, première (3). Enfin, malgré une augmentation régulière
aux grands ouvrages, à la maintenance et l’exploitation du nombre d’élèves en classes préparatoires aux
des matériels et structures associées, à l’éducation et grandes écoles, environ 10% sur 8 ans(2), il reste des
à la santé. Notre capacité à innover et créer est aussi places disponibles en école d’ingénieurs.
Dans la filière technologique industrielle du lycée les
effectifs n’ont cessés de décroître avec une perte de
Tableau 1 : 20% en huit ans dont pratiquement 10% ces trois der-
Evolution des effectifs en classe de première nières années.(4)
La simple évolution démographique n’explique pas la
diminution des effectifs.
Les raisons de la désaffection des orientations vers la
filière STI étaient nombreuses. On peut évoquer entre
autres raisons la complexité de l’offre de formation
avec 17 spécialités, le vieillissement des programmes
qui se sont progressivement écartés des centres d’in-
Sources : Publications ministérielles RERS 2007 et 2010 térêt et des objets de notre quotidien, la nécessité
2 Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011
Réforme
d’une orientation précoce, dès la fin de la
classe de seconde, qui engageait les
élèves dans une spécialisation détermi-
nante pour la suite de leur étude et de
leur métier futur.
Il est nécessaire d’attirer dans les
filières scientifiques et technologiques
de l’enseignement supérieur un nombre
croissant d’élèves et d’améliorer la
parité filles-garçons.
L’augmentation des effectifs constitue
un des objectifs majeurs de la réforme
des enseignements de sciences et de
technologie du collège au lycée.
Les rénovations importantes menées
d’abord au collège puis dans le cadre
de la réforme du lycée en seconde et au
cycle terminal STI2D et S-SI, portent
cette ambition pour contribuer à la réalisation de La pédagogie est active, mobilise une démarche d’in-
l’objectif de Lisbonne : 50% d’une classe d’âge titu- vestigation et de recherche de solution. Les supports
laire d’un diplôme de l’enseignement supérieur. d’études sont issus de divers domaines d’application
comme les transports, l’habitat et les ouvrages et la
La réforme de l’enseignement de la technologie domotique.
au collège L’enseignement de la technologie ne se limite pas à
Historiquement, les contenus d’enseignements au col- l’acquisition d’un socle culturel commun à tous. Il a
lège étaient portés par les travaux manuels. Ils laissent vocation à susciter l’intérêt des élèves et à les aider à
leur place en 1975 à l’éducation manuelle et technique construire un projet personnel dans le domaine des
(EMT). En 1986 l’EMT disparaît au profit d’une nouvelle sciences et des technologies.
discipline : la technologie. Les professeurs sont recru-
tés dès 1987 avec un Capet de technologie. La réforme La réforme des enseignements en classe de 2de
de l’enseignement de la technologie au collège, initiée Les enseignements de détermination disparaissent au
de 2005 à 2008, abandonne radicalement tout objectif profit d’enseignements d’exploration. Ils n’ont pas
d’acquisition de savoir faire manuels. Elle doit permet- vocation à faire acquérir des compétences précises. Il
tre à tout collégien, futur citoyen, d’acquérir une cul- s’agit de proposer aux nouveaux lycéens des contenus
ture scientifique et technologique qui lui permettra d’enseignements qui leurs permettent d’élaborer un
d’être un acteur éclairé et responsable dans la société, projet d’orientation afin de construire un futur parcours
capable d’utiliser les objets du quotidien et d’accéder de formation, pour le cycle terminal comme pour les
aux services qui exploitent largement les nouvelles études supérieures après le baccalauréat.
technologies de l’information et la communication. A l’issue de la classe de seconde, les élèves conservent
C’est un des objectifs assignés au collège, formalisé leur liberté de choix. Le suivi d’un ou plusieurs ensei-
par le socle commun de compétences et de connais- gnements d’exploration ne constitue pas un prérequis
sances. La technologie associée aux autres disciplines indispensable pour la poursuite dans une des filières
expérimentales, devient ainsi une discipline à vocation du lycée général ou technologique (S-SVT, S-SI, ES, L,
générale, à parité avec les autres enseignements au STL, STI2D, STI2A, ST2S). Les enseignements d’explo-
collège. ration ouvrent des « possibles » et suscitent de l’intérêt
Les enseignements abordent de façon transversale de pour des champs disciplinaires ou des métiers. Ils ne
la classe de 6ème à la classe de 3ème le fonctionnement ferment aucunes portes. L’orientation reste progressive
des objets techniques, les notions sur les moyens de et réversible.
les réaliser, l’évolution des solutions ainsi que les L’horaire est d’une heure trente hebdomadaire pour
notions sur l’énergie, l’information, les matériaux. chaque enseignement d’exploration. Les élèves doivent
L’usage des outils informatiques est systématisé. La choisir deux enseignements d’exploration dont l’un est
sensibilisation aux problèmes environnementaux et au obligatoirement lié au champ économique : Principes
développement durable commence dès la classe de fondamentaux de l’économie et de la gestion (PFEG) ou
6ème. Elle est maintenue jusqu’en classe de 3ème . Sciences économiques et sociales (SES).
Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011 3
Réforme
Trois enseignements d’exploration concernent plus exemple, de proposer l’amélioration d’un système exis-
spécifiquement les sciences et les technologies. tant, ou des solutions innovantes pour la résolution
d’un problème industriel en relation avec une entre-
Méthodes et pratiques scientifiques (MPS) prise locale. L’équipe d’élèves imagine, formalise et
présente des principes de solution. Cela peut prendre
Cet enseignement mobilise une approche pluridisci-
la forme d’une matérialisation, à partir des ressources
plinaire en mathématiques, physique, science de la
dont dispose l’établissement mais celle-ci n’a pas
vie et de la terre, sciences de l’ingénieur pour per-
vocation à proposer une réalisation conforme aux
mettre aux élèves de découvrir comment répondre
règles de l’art des procédés de fabrication.
aux grands enjeux des sociétés modernes et leur
donner les moyens de les aborder de façon objective.
Exploration en Science de l’Ingénieur (SI)
La pédagogie s’appuie sur l’activité de projet condui-
sant à une production d’élèves (expérience, exploitation Cet enseignement permet de découvrir pourquoi et
de données, modélisation, etc.) et aboutit à une forme comment un produit contemporain a été conçu en
de communication scientifique (compte rendu de réponse à un besoin humain. Il s’agit d’approfondir la
recherche, affiche, diaporama, production multimédia, culture technologique et scientifique par l’analyse de
etc.). Cette activité est déclinée sur un des six thèmes systèmes pluritechniques et l’étude de leur comporte-
proposés : science et aliments, science et cosmétolo- ment à travers l’expérimentation et la simulation. Là
gie, science et investigation policière, science et encore, l’objectif est de susciter l’intérêt des élèves
œuvres d’art, science et prévention des risques d’ori- pour les métiers scientifiques et technologiques en se
gine humaine, science et vision du monde. Ces thèmes projetant vers les études supérieures, en synergie avec
sont susceptibles d’évoluer dans les années à venir. les autres disciplines scientifiques, les mathématiques,
les sciences physique, chimique fondamentales et
appliquées. Dans un premier temps qui peut représen-
Création et Innovation Technologiques (CIT)
ter entre la moitié et les deux tiers du volume horaire
Cet enseignement s’intéresse à l’innovation techno- annuel selon le choix autonome des équipes pédago-
logique, identifie les lois d’évolution et de la créati- giques, l’activité des élèves s’appuie sur des études de
vité qui permettent l’émergence de nouveaux pro- cas. Les systèmes supports d’étude pourront être choi-
duits ou systèmes. Les équipes pédagogiques dispo- sis dans les mêmes domaines d’application que ceux
sent d’une grande autonomie dans l’organisation de proposés en CIT. Ils seront pluritechniques et repré-
leurs enseignements. Dans un premier temps qui peut sentatifs des solutions technologiques les plus
représenter environ deux tiers du volume horaire récentes. Dans un second temps, qui peut mobiliser
annuel, l’activité des élèves est organisée à partir entre la moitié et un tiers du volume horaire annuel, les
d’étude de cas dont les thèmes sont puisés dans des élèves sont en activité de projet. Elle permet aux élèves
domaines d’applications motivants. organisés en équipes de vivre une démarche de
Dans un second temps, environ un tiers du volume conception/optimisation sur un support concret pour
horaire annuel, les élèves conduisent un projet de créa- structurer leur réflexion, formaliser une solution à
tivité. Les thèmes du projet sont largement ouverts, à l’aide d’un modèle, maquette ou prototype, valider la
l’initiative des élèves ou de l’enseignant. Il s’agit, par démarche par une simulation ou une mesure de per-
formances.
La réforme du cycle terminal :
nouveaux baccalauréats STI2D et S-SI
Baccalauréat Sciences et technologies de l’industrie
et du développement durable
La réforme de la filière technologique s’inscrit dans le
cadre de la réforme du lycée. L’organisation des
anciens baccalauréats STI est supprimée et remplacée
par un baccalauréat Sciences et Technologies de
l’Industrie et du Développement Durable (STI2D).
Les matériels utilisés par l’industrie ont une obsoles-
cence rapide. Il serait rédhibitoire de centrer la forma-
Extrait : Ressources pour la classe de seconde générale
et technologique. Création et innovation technologiques tion des élèves sur des notions spécifiques à la mise en
eduscol.education.fr/prog œuvre des matériels, qui seront rapidement obsolètes,
© MEN/DGESCO alors que l’on souhaite pour nos futurs ingénieurs
4 Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011
Réforme
de développer des compétences leur permettant d’évo- Extrait du Bulletin officiel spécial
luer et de s’adapter à des technologies sans cesse
n°3 du 17 mars 2011
renouvelées. C’est pourquoi, ce nouveau baccalauréat
est centré sur le triptyque fondamental qui constitue la Architecture et construction : la spécialité explore l’étude et la recherche de
base de toute formation technologique dans le secteur solutions architecturales et techniques relatives aux bâtiments et ouvrages. Elle
industriel : les matériaux, l’énergie et l’information. Le apporte les compétences nécessaires à l’analyse, la conception et l’intégration
dans son environnement d’une construction dans une démarche de développe-
baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie
ment durable.
et du Développement Durable est composé par les
enseignements généraux et technologiques, consti- Énergies et environnement : la spécialité explore la production, le transport, la
tuant un tronc commun, et de quatre spécialités distribution et l’utilisation de l’énergie ainsi que sa gestion. Elle apporte les com-
décrites dans l’encadré ci-contre. pétences nécessaires pour appréhender l’efficacité énergétique des systèmes
ainsi que leur impact sur l’environnement et l’optimisation du cycle de vie.
La démarche pédagogique reste une approche pratique
sur les systèmes. Elle s’appuie sur l’analyse de sys- Innovation technologique et éco-conception : la spécialité explore l’étude et la
recherche de solutions techniques innovantes relatives aux produits manufactu-
tèmes techniques récents, l’exploitation de modèles, la
rés en intégrant la dimension design et ergonomie. Elle apporte les compé-
compréhension et la représentation des solutions tences nécessaires à l’analyse, l’éco-conception et l’intégration dans son envi-
constructives mises en œuvre. L’élève apprend par la ronnement d’un système dans une démarche de développement durable.
technologie, grâce à des activités pratiques sur des
supports concrets et contextualisés dans leurs usages. Systèmes d’information et numérique : la spécialité explore l’acquisition, le trai-
tement, le transport, la gestion et la restitution de l’information (voix, données,
La compréhension des solutions particulières permet
images). Elle apporte les compétences nécessaires pour appréhender l’interface
ensuite l’élargissement vers l’appréhension des
utilisateur, la commande rapprochée des systèmes, les télécommunications, les
modèles et des concepts plus généraux. En classe de réseaux informatiques, les modules d’acquisition et de diffusion de l’information
terminale les élèves réalisent un projet en équipe. Il et plus généralement sur le développement de systèmes virtuels ainsi que sur
s’agit d’optimiser ou de concevoir et réaliser tout ou leur impact environnemental et l’optimisation de leur cycle de vie.
partiellement un système. Cette activité de synthèse
permet de mobiliser et d’appliquer les connaissances
acquises et de renforcer les compétences en cours de Baccalauréat Scientifique - Sciences de l’Ingénieur (6)
construction. La réforme de ce baccalauréat scientifique s’inscrit
Une heure est consacrée à l’enseignement technolo- dans le cadre de la réforme du lycée. Le baccalauréat
gique en langue vivante 1 (LV 1) assurée conjointement Scientifique propose de choisir une des deux options
par un professeur de langue et un professeur d’ensei- pour le cycle terminal : sciences de la vie et de la
gnement technologique. terre, qui s’intéresse aux systèmes « naturels », ou
L’enseignement commun des disciplines générales et sciences de l’ingénieur qui s’intéresse aux systèmes
technologiques représente 84% du volume horaire de « artificiels », créés par l’Homme pour répondre à l’un
la classe de première avec 27 heures sur 32, l’ensei- de ses besoins. La réforme de l’enseignement spéci-
gnement de spécialité retient 5 heures. En classe de fique des Sciences de l’Ingénieur renforce la démarche
terminale, l’enseignement commun des disciplines scientifique inhérente à ce baccalauréat.
générales et technologiques, représente 72% de l’en-
seignement avec 23 heures pour l’enseignement com- La démarche scientifique
mun et 9 heures pour l’enseignement de spécialité. en Sciences de l’ingénieur
Cette répartition montre la vocation généraliste de ce L’horaire hebdomadaire est
nouveau baccalauréat à installer une culture scienti- de 6 heures en classe de
fique et technologique large. La spécialité est un première et en terminale,
approfondissement dans un domaine qui suscite l’inté- auxquelles s’ajoutent trente
rêt des élèves mais qui n’impose pas une orientation cinq heures annuelles de
spécifique pour la poursuite d’étude. TPE en classe de première
et soixante dix heures annuelles de projet interdiscipli-
L’objectif final de formation supérieure pour les naire en classe terminale. Le principe de base est la
bacheliers STI2D est d’atteindre le niveau 2 : ingé- pluridisciplinarité, deux disciplines au moins doivent
nieurs, masters et licences professionnelles (5). Les être impliquées dans le TPE. Le projet est mené en col-
possibilités pour y parvenir sont diversifiées, les passe- laboration avec les disciplines scientifiques ou encore
relles entre les différentes formations sont nom- les disciplines de l’enseignement commun.
breuses. Les futurs titulaires du baccalauréat STI2D Les systèmes sont au centre des activités des élèves.
pourront intégrer l’université, les écoles d’ingénieur, Ces systèmes, supports des études de cas proposés
les CPGE technologiques et toutes les spécialités de aux élèves sont pluritechnologiques et récents. Ils
STS et d’IUT. contribuent à répondre à un besoin de société et sont
Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011 5
Réforme
choisis de façon à motiver les élèves,
dans des domaines très variés comme
les objets manufacturés ou les
ouvrages d’art. L’activité des élèves
vise à qualifier les performances par
l’expérimentation sur le système
matériel, par la simulation utilisant un
modèle du système, par l’analyse à
partir des performances attendues au
cahier des charges. Les écarts entre
les résultats obtenus selon ces trois
méthodes sont quantifiés et analysés
pour agir sur le système réel ou modé-
lisé dans une démarche d’optimisa-
tion. L’enseignement des sciences de
l’ingénieur sollicite de façon systéma-
tique les autres disciplines scienti-
fiques comme les mathématiques et
les sciences physique chimie fonda-
mentales et appliquées. La démarche
pédagogique est laissée largement à l’initiative des
enseignants qui l’organisent en cours, travaux dirigés scientifiques, l’université et les écoles d’ingénieur.
et travaux pratiques, mobilisent des approches qui L’objectif final de formation supérieure pour les
peuvent être initialement déductives et conceptuelles, bacheliers S-SI est d’atteindre le niveau d’ingénieurs.
adaptées au public d’élèves scientifiques, mais peuvent
également s’appuyer sur des démarches d’investiga- En guise de conclusion...
tion et de résolution de problèmes techniques. Comme cela a été évoqué en introduction, les besoins
Le projet mobilise des compétences pluridisciplinaires croissant du nombre de personnels qualifiés(5) aux
pour imaginer des solutions créatives qui répondent à niveaux 1 et 2 imposent de former davantage de jeunes
un besoin. gens aux métiers scientifiques et technologiques.
De nombreuses questions de sociétés, par nature plu- L’objectif commun de ces réformes, dans le prolonge-
ridisciplinaires, sont susceptibles de fournir des ment des efforts consentis par l’école primaire pour
thèmes de projet par exemple : la protection contre les valoriser les voies scientifiques et technologiques, est
risques naturels ou artificiels, le confort, l’énergie, l’en- de permettre à des élèves plus nombreux issus de la
vironnement, la santé et l’aide au handicap, la mobilité, voie technologique industrielle ou de la voie scienti-
etc. Les productions attendues sont de nature fique, d’atteindre ces qualifications supérieures et ainsi
diverses : des architectures de solutions sous forme de de participer pleinement au développement de notre
schémas ou de croquis, des justifications scientifiques, économie. ■
technologiques, socio-économiques, validant la solu-
tion proposée, un prototype ou une maquette numé-
rique ou matérielle, un programme informatique ou
encore des supports de communication. Lorsqu’un
(2) Sources : IGEN STI PNF S-SI 31 mars 2010 Paris
projet donne lieu à la réalisation matérielle d’un objet,
(3) Sources : Publication ministérielle RERS 2010
cela a pour objectif de valider une solution originale,
(4) Sources : Publications ministérielles RERS 2007 et 2010
sans que la conformité de cette réalisation vis-à-vis
des règles de l’art soit évaluée. (5) Les niveaux de qualification :
Niveau 1 : validé par un doctorat et au delà.
Afin de mener ces activités les élèves doivent dévelop- Niveau 2 : validé par une licence, une licence LMD, une licence profes-
per quatre grandes compétences qui constituent l’ob- sionnelle, une maîtrise, un master, un DEA, un DESS ou un diplôme d’in-
jectif de la formation. Ils doivent être capable : d’expé- génieur.
Niveau 3 : validé par un Brevet de Technicien Supérieur, un Diplôme
rimenter, d’analyser de modéliser et de communiquer
Universitaire de Technologie, un diplôme de fin de premier cycle de l’en-
ce qui est essentiel à la démarche de l’ingénieur, qui seignement supérieur (DEUG, DEUST,...)
doit formaliser et communiquer ses travaux en interne Niveau 4 : validé par un Bac général, un Bac professionnel (Bac pro), un
au sein d’une équipe et vers des partenaires externes. Brevet de Technicien (BT) ou un Brevet Professionnel (BP)
Niveau 5 : validé par un CAP ou un BEP.
Les titulaires du baccalauréat S option S-SI sont en
(6) Bulletin officiel spécial n° 9 du 30 septembre 2010
capacité de s’orienter très largement vers les CPGE
6 Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011
Étude de cas
Concevoir une étude de cas
« Création et Innovation
Technologique »
Une approche pragmatique sur le thème : contrôle d’accès par serrure RFID.
Benoît JACQUET-FAUCILLON
Professeur agrégé de mécanique au Lycée Camille-Claudel de Pontault-Combault et à l’ESIPE-MLV de l’Université
Paris-Est de Marne-La-Vallée. http://esipe.univ-mlv.fr
L’enseignement d’exploration Création et Innovation Choix de la structure de l’étude de cas
Technologique (CIT) est un enseignement nouveau qui Le choix de la structure de l’étude de cas n’est pas ano-
participe de la réforme du lycée. Il constitue un nou- din car c’est un vecteur de dynamisme, de rythme et de
veau souffle pour l’enseignement technologique et un motivation pour l’élève. Le but est de structurer la
lien indispensable entre la technologie collège et les démarche et le raisonnement pour mettre en place des
enseignements de S-SI et de STI2D. schèmes de résolution de problèmes techniques sans
Cet enseignement a nécessité de repenser nos pra- entrer dans la « recette de cuisine ».
tiques pédagogiques et de construire de nouvelles Cette étude de cas s’articule ainsi autour de quatre
études de cas et de nouvelles ressources pour la temps bien distincts dont l’unité est la séance de deux
classe. L’étude de cas présentée ici « le contrôle d’ac- heures :
cès par serrure RFID » se propose, modestement,
* 1er temps : phase de modélisation du problème et de
d’aborder de manière très pragmatique un exemple
recherche d’un système idéal.
de cet enseignement nouveau.
* 2ème temps : phase de découverte de l’innovation.
Cette étude est distribuée (avec d’autres ressources
pour la classe) par la société Knowllence. * 3ème temps : phase de compréhension de l’innovation.
En savoir plus sur le site : www.knowllence.fr * 4ème temps : phase de restitution.
L’auteur tient à remercier Dominique Robert,
Ingénieur Technico-commercial chez Chauvin Arnoux, Phase de modélisation du problème et recherche
pour sa disponibilité. d’un système idéal
L’enjeu de cette phase est de soumettre aux élèves une
problématique à résoudre à partir d’une approche
Figure 1 : Systèmes proposés pour l’approche « pro-
duit » : serrure à clef, serrure à code, serrure à badge
magnétique.
Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011 7
Étude de cas
Besoin Problématique Insatisfaction Contradiction Système idéal
technique
• Sécuriser • Comment • Où sont mes • L’identification • Il doit
l’accès à un contrôler clefs ? nécessaire au permettre
local l’accès ? • Quel est mon contrôle de l’identification
code ? l’accès rapide de
• Où est ma complexifie l’individu à
carte ? l’accès pour partir de
l’utilisateur. quelque chose
qu’il a
constamment
sur lui.
Figure 2 : Démarche de modélisation du problème
« produit » et de les amener à verbaliser celle-ci sous
forme d’une contradiction technique puis d’un système
idéal. Celui-ci doit lever cette contradiction technique
afin de dégager des pistes d’innovation pour la phase
suivante. Le « casting » des systèmes proposés (Voir
Figure 1) dans l’approche « produit » doit être réfléchi
car il influence directement l’expression du besoin et la
contradiction technique au travers des insatisfactions
perçues.
L’étape d’identification des insatisfactions nécessite
une investigation succincte sur les produits existants
afin de cerner les caractéristiques, avantages et les
inconvénients de chacun. Cette investigation doit
conduire les élèves à exprimer l’insatisfaction en pre-
nant différents points de vue (utilisateur, gestionnaire,
mainteneur...) qui va déclencher l’innovation en répon-
dant au travers d’une analyse du type : « du point de
vue... c’est pénible car... ».
L’étape de verbalisation de la contradiction technique à
partir de l’insatisfaction n’est pas toujours évidente. Si
la notion de contradiction technique est empruntée à la Figure 3 : Résultat, après classification, du brainstorming
méthode TRIZ, il n’est pas souhaitable de l’exprimer de solutions correspondant au système idéal
telle une contradiction technique (par l’opposition de
deux paramètres) ou par une contradiction physique ou
même de mettre en œuvre la méthode TRIZ en ensei- Phase de découverte de l’innovation
gnement d’exploration. L’idée est au contraire de La phase précédente à permis de mettre en œuvre une
s’abroger de tout formalisme et synthétiser en une démarche de modélisation du problème à résoudre afin
phrase le « frein » dans une ou plusieurs phase(s) du d’identifier des solutions envisageables. Dans la phase
cycle de vie du produit. de découverte, l’enjeu est d’investiguer une ou plu-
Enfin, les élèves doivent définir les qualités que doit sieurs des solutions retenues. L’investigation porte sur
posséder le système idéal permettant de lever la une maquette de serrure RFID avec transpondeur
contradiction technique. La consigne doit alors être sous-cutanée (Voir Figure 4) et peut-être astucieuse-
claire : il n’est pas question d’évoquer à ce stade des ment mis en parallèle avec une serrure biométrique
solutions. afin d’insister sur la diversité des réponses possibles à
partir de l’identification du système idéal.
L’ensemble de cette démarche est détaillée Figure 2
pour le système de contrôle d’accès Les élèves se scinderaient ainsi en deux sous-groupes
investiguant chacun les solutions suivantes :
La modélisation du problème est alors terminée. Les
élèves sont invités à réaliser un brainstorming afin de • S’identifier à partir d’une caractéristique biométrique
proposer des solutions correspondant au système idéal (serrure biométrique).
puis à les regrouper et les classifier, voir Figure 3. Elles • S’identifier à partir de quelque chose qu’on ne peut
peuvent être judicieusement présentées sous forme de pas ôter (serrure RFID avec transpondeur sous-
carte mentale. cutané).
8 Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011Étude de cas
Figure 4 : TAG (transpondeur) sous-cutané et main droite d’Armal Graafstra
RFID en bref
Radio
Electric Waves Infra-red UV X ray Gamma Ray
Waves L’acronyme RFID signifie Radio Frequence
IDentification et constitue un système d’identification
d’objets, de personnes, ou d’animaux dotés d’identi-
Spectre Radio
fiants appelés transpondeurs ou (TAG) via un lecteur
qui utilise le rayonnement radiofréquence.
9 kHz 30 kHz 300 kHz 3000 kHz 30 MHz 300 MHz 3000 MHz 3000 GHz
Cette technologie est sans contact, ne nécessite pas de
VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF visibilité directe et permet la gestion de plusieurs iden-
tifiants dans le champ d’action du lecteur. Elle utilise
5.8 GHz une gamme bien définie des radiofréquences, voir
125 kHz 13.56 MHz 2.45 GHz Figure 5.
134.2 kHz
433 and 860-960 MHz
Figure 5 : Gammes de fréquences Composition de la maquette de serrure RFID
(d’après http://www.centrenational-rfid.com) La maquette de la serrure RFID, voir Figure 6, est consti-
tuée d’une gâche électrique, d’une carte électronique
(BOE et microcontrôleur BS2), d’un lecteur RFID (RFID
Reader Module) et d’un module d’analyse de signal
logique BSLA pour microcontrôleur BS2 (BASIC STAMP
Logic Analyser). Le module BSLA n’est plus disponible, à
ce jour, à la vente mais il peut être aisément remplacé
par l’analyseur logique METRIX MTX2022.
Le TAG utilisé dans notre cas est un transpondeur passif
basse fréquence (LF pour Low Frequency) opérant à la
fréquence 125 kHz. Il est nécessaire de « l’encapsuler »
dans un écrin translucide de manière à éviter toute perte.
Principe de gestion de l’identification
par transpondeur
Le système de gestion (ici la carte électronique) permet
d’activer le lecteur qui émet alors un champ radiofré-
quence. Lorsqu’un TAG passif entre dans ce champ,
celui-ci entraîne un courant induit. Le TAG va alors
émettre en réponse un signal radiofréquence qui lui est
Figure 6 : Prototype de la maquette de serrure RFID unique (c’est son ID). Voir Figure 7.
Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011 9Étude de cas
Figure 7 : Les 4 étapes de la gestion de l’identifica-
tion par transpondeur (TAG) RFID
Le lecteur reçoit ce signal et le décode pour le fournir
au système de gestion l’ID du transpondeur (mots de 12
octets transmis à 2400 bauds dans notre cas). Le sys-
tème de gestion doit vérifier dans la base de données
(dans notre cas l’EEPROM, voir Figure 8) si l’ID est
autorisée et donner ou non l’ordre de déverrouillage à
la gâche électrique.
Figure 9 : Mise en évidence du rayonnement radiofré-
Figure 8 : ID stockée en dure dans l’EEPROM quence du lecteur RFID
à mettre en évidence ce champ à l’aide d’une antenne
Premier temps d’expérimentation : réceptrice (modèle METRIX HX0100) et d’un oscilloscope
mise en évidence du champ radiofréquence (modèle METRIX OX7204 SCOPIX).
Par définition, le champ radiofréquence n’appartient Cette expérimentation (Voir Figure 9) montre l’existence
pas au domaine du visible, voir Figure 5. Aussi la pre- d’un champ qui croît à mesure que l’on approche l’an-
mière expérimentation réalisée par les élèves consiste tenne réceptrice HX0100 du lecteur RFID lorsque celui-ci
10 Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011Étude de cas
Figure 10 : Mise en évidence et mesure de la fréquence du rayonnement radiofréquence du lecteur RFID
est actif (Voir Figure 10) et l’absence de champ lorsque le été confiée (Voir Figure 13). C’est l’occasion d’évoquer
lecteur est inactif. la transmission d’informations en série.
La fréquence mesurée de ce rayonnement de 128,2 kHz
(Voir Figure 10) conduit à classifier le lecteur RFID dans Implémentation de l’algorithme de gestion de l’ID
la catégorie des champs radiofréquences basse fré- L’implémentation de l’algorithme de reconnaissance
quence, voir Figure 5. simplifié est présentée figure 14. Celui-ci permet de
La norme C95.1-2005 (Voir Figure 11) recommande un gérer plusieurs ID accréditées. Il a été mis en place lors
niveau de champs électriques en fonction du domaine d’un projet d’ISI en 2009-2010 avec une classe ayant
d’utilisation du système et de la fréquence émise par le participé à un projet pluridisciplinaire « algorithme et
système considéré. Un testeur de champs électriques cryptographie » (maths et sciences de l’ingénieur).
basses fréquences (METRIX VX0100) doté de l’antenne
réceptrice permet de vérifier que le champ émit par le
lecteur RFID n’atteint pas la valeur maximale recom-
mandée, soit 51,5 V/m mesuré pour 87 V/m recom-
mandé, voir Figure 12.
Figure 11 : Niveaux de champs électriques, recom-
mandation selon norme C95.1-2005 (source METRIX)
Deuxième temps d’expérimentation :
décodage du signal série envoyé par le lecteur
A l’aide du module d’analyse de signal logique BSLA et
après avoir configuré correctement les caractéristiques
du signal série envoyé par le lecteur à la carte électro-
nique (broche du microcontrôleur, vitesse en baud, bit
de parité...) les élèves recueillent l’ID du TAG qui leur a Figure 12 : Mesure du niveau de champ électrique
Les cahiers de l’instrumentation • n° 10 • Novembre 2011 11Étude de cas
Figure 13 : Décodage du signal série transmis par le lecteur
rapport à la solution investiguée à la phase précé-
dente. En effet, le principe technologique mis en
œuvre précédemment (RFID) découle d’une invention
scientifique et mobilise un principe d’innovation. Le
degré d’innovation peut, quant à lui, être jaugé à l’aide
des lois d’évolution.
De l’invention scientifique aux applications
techniques
Une recherche bibliographique (ouvrages de référence
présents dans la classe ou au CDI et internet) est
menée par les élèves afin de mettre en avant les expé-
riences et les scientifiques ayant conduit à la techno-
logie RFID.
A l’origine de la radiodiffusion, il faut noter la décou-
Figure 14 : algorithme simplifié verte scientifique du rayonnement électromagnétique
par Maxwell en 1864. Les composants technologiques
nécessaires à la communication sans fils sont mis au
Il peut être encore simplifié. Cet algorithme permet de
point par Hertz et Branly. Marconi les perfectionne pour
parcourir l’ensemble des ID stockées dans l’EEPROM
conduire au premier message transmanche en 1899.
et de comparer chacune d’entre elles avec l’ID lue par
le lecteur RFID. Les premières applications d’identification par radiodif-
Une variable binaire Tag_connu est initialisée à 0. fusion à partir de transpondeur sont d’ordre militaire.
Pour chaque ID stockée, la comparaison est effectuée Ainsi le système Identify Friend or Foe (IFF) est mis au
caractère par caractère entre l’ID lue par le lecteur et point par les allemands pendant la Seconde Guerre
l’ID stockée. Dès qu’un caractère diffère, on passe à l’ID Mondiale. Il permet d’identifier les avions « amis » en
stockée suivante. Si la comparaison du 10ème caractère transmettant un code d’identification.
de l’ID stockée est valide alors la variable Tag_connu Le premier brevet relatif à la notion de TAG est améri-
est mise à 1. cain et date de 1973. Les applications civiles se dévelop-
Pour finir, un simple test sur la variable Tag_connu pent peu à peu, notamment dans le domaine de la logis-
conditionne l’ouverture de la porte : si sa valeur est 1 tique, et conduisent à adopter une norme commune vis-
alors un signal est envoyé pendant 2 secondes à la à-vis des fréquences et de la structure de l’ID : la norme
gâche pour permettre l’ouverture de la porte. EPF pour Electronic Product Code en 2004.
Au cours de la dernière décennie, l’identification par
Phase de compréhension de l’innovation technologie RFID s’est intensifiée et généralisée dans
L’enjeu de cette phase est de prendre du recul par un souci de traçabilité et de sécurité. Les applications
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