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Smartphone : le labo ultime ?

Niveau : Testé en classe de Science et laboratoire (Seconde)

Type de ressource : Enseigner avec les Équipements Individuels Mobile (EIM)

 

Annexe 1 : Informations smartphone, logiciels, risques

Annexe 2 : Utilisation de Phyphox

Annexe 3 : Compétences mobilisées

Annexe 4 : Diaporama de présentation

Annexe 5 : Découpage horaire

 

Outil utilisé pour le test en classe :

Les phénomènes physico-chimiques sont sans cesse revisités sous forme d’expériences adaptées aux nécessités pédagogiques et aux technologies actuelles. Le phénomène physique reste le même mais la technique employée pour l’étudier ou pour l’aborder en classe évolue. Pour étudier par exemple la chute des corps, on dénombre entre autres l’expérience de la tour de Pise, le tube de Newton, la machine d’Atwood, les acquisitions EXAO exploitant des  détecteurs optoélectroniques, le pointage vidéo actuel, etc.

Les capteurs présents dans nos smartphones peuvent-ils eux aussi prétendre à étudier ce phénomène ?

L’enseignement d’exploration Sciences et laboratoire de Seconde est un lieu privilégié pour tester les fonctionnalités scientifiques d’un smartphone. Dans une première phase d’investigation, on étudie le phénomène de chute libre d’un objet sous forme de 5 expériences, sans smartphone puis avec smartphone. L’objectif est de comparer leur mise en œuvre et les résultats obtenus. Deux applications scientifiques pour smartphone  (Sensor Kinetics et Phyphox) ont été testées et comparées.

Le site internet teacher.desmos.com a été utilisé pour récolter et afficher les données de mesures afin de mettre en évidence de façon visuelle les incertitudes inhérentes à toute mesure.

Dans une deuxième phase qui ne sera pas présentée dans ce document, les élèves mèneront avec plus d’autonomie un projet expérimental similaire : Ils choisissent dans une banque d’expériences une manipulation classique, la réalisent et cherchent à la transformer en utilisant un capteur du smartphone. Ce projet devra aboutir à une vidéo décrivant leur démarche scientifique et répondant à la problématique proposée.

Compétences mobilisées
S’approprier, Analyser, Réaliser, Valider, Communiquer, Etre autonome, faire preuve d’initiative

Voir annexe 3 pour plus de détails

 

Scénario d'apprentissage:

On ne décrit ici que la première phase (fortement guidée par le professeur) où les élèves découvrent les problématiques d’utilisation expérimentale du matériel de laboratoire et du smartphone.

·        Expériences sans smartphone (entre 2h et 2h30)
A partir d’une vidéo déclenchante présentant Galilée et la chute des corps, on cherche à chronométrer avec précision une chute libre au laboratoire. Différentes mesures de la durée de chute d’une même bille d’acier depuis la même hauteur sont réalisées par différentes méthodes :

o   Expérience 1 : avec une horloge biologique(!),

o   Expérience 2 : avec un chronomètre à main

o   Expérience 3 : avec une interface d’acquisition.

(Le pointage vidéo n’a pas été proposé pour ne pas interférer avec le projet eFran sur l’étude des mouvements)

La comparaison des résultats montre que les expériences ne présentent pas les mêmes incertitudes de mesure. On se propose de comparer ces incertitudes avec des expériences réalisées avec un smartphone.

·        Expériences avec smartphone (entre 5h30 et 6h)
Les élèves réalisent des investigations préliminaires à chaque expérience afin de prendre en main les applications du smartphone et comprendre les phénomènes physiques associés.  La recherche de protocole aboutit à une discussion et un choix commun afin que les expériences réalisées par les élèves soient basées sur le même protocole.

o   Expérience 4 : mesure de la durée de chute de la bille d’acier par un smartphone utilisé comme un sismomètre.

o   Expériences 5 et 6 : mesure de la durée de chute du smartphone en chute libre par deux applications (Sensor Kinetics et Phyphox)

 

·        Bilan avec un historique de la mesure : satellite Microscope (14 zéros)
+ dans l’émission de la tête au carré (mercredi 6 décembre 2017 : Galilée à l'épreuve des décimales) + comparaison avec la théorie

 

Où est l'élève pendant l'évaluation ?

 En classe

Que fait l'élève pendant l'évaluation ?

Met en œuvre la démarche expérimentale (individuellement ou en groupe) et répond individuellement à un questionnaire en ligne
Conserve une trace écrite sur le carnet de bord

Que fait l'enseignant:

o   Vérifier que les élèves ont compris le travail à faire, respectent les consignes et les règles de sécurité

o   Aide à la mise en œuvre technique du protocole et à l’utilisation de l’outil numérique pour les élèves en difficulté (montage expérimental, utilisation du logiciel et des applications)

o   Joue le rôle de médiateur si le groupe ne travaille pas dans un esprit coopératif 

o   Consulte les résultats transmis par les élèves et remédie au besoin (erreurs de mesure flagrants)

 

 

Différenciation / Diversification

Différenciation dans la phase 1 :

o   Chaque élève peut envoyer ses propres résultats expérimentaux

o   Les groupes avancent à leur rythme sur leur travail expérimental. Les élèves en avance aident les groupes en retard ou se perfectionnent par des expériences supplémentaires.

o   Suivant la marque et les performances des smartphones, les résultats seront différents

 

Diversification dans la phase 1:

o   Utilisation du smartphone, objet du quotidien dont les applications scientifiques sont méconnues des élèves

o   Mise en commun des données personnelles en temps réel

 

Dans la phase 2, la différenciation et la diversification sont au cœur de la pédagogie par projet.

Description de l’ outil numérique Teacher.desmos.com

 

Teacher.desmos.com  est un outil en ligne gratuit qui a permis de rassembler les données de mesures des élèves. Il s’agit d’un tableur grapheur au même titre que la calculette graphique Geogebra qui présente en plus la possibilité d’enroller des élèves rapidement sur des activités d’évaluation  en classe (quizz, résultats mathématiques). Il a ainsi permis de :

-        pouvoir mutualiser les données sans laisser la possibilité aux élèves de lire les résultats des autres : c’est une évaluation individuelle qui cherche à rendre objectifs les résultats de mesure

-        pouvoir afficher les résultats globaux des élèves sous forme d’un nuage de points et mettre en évidence simplement les incertitudes liées à une série de mesures

Un aperçu directement exploitable par le professeur est consultable ici (il est nécessaire que le professeur crée un compte et s’identifie) :

-        expériences 1, 2 et 3 :  https://teacher.desmos.com/activitybuilder/custom/5a2907732361b13eb0756c5e

-        expériences 4, 5 et 6 : https://teacher.desmos.com/activitybuilder/custom/5a552b37e3934d238401d673

Cette évaluation individuelle a été permise sur un seul ordinateur car chaque élève du groupe se connecte avec une fenêtre de navigation privée (rendant ainsi les sessions des élèves indépendantes). Les élèves qui possèdent un équipement individuel mobile (smartphone, tablette ou ordinateur portable) connecté à internet peuvent également accéder à cette activité.

Figure 1 : Copie écran de l’affichage au vidéoprojecteur pour l’enrollement des élèves


Figure 2 : Copie écran de l’affichage de l'élève lorsqu'il crée sa session Desmos
L’inscription n’est pas nécessaire : l’élève peut continuer
en donnant seulement un pseudo (prénom)

 

Figure 3 : Copie écran de l’affichage partagé d’un groupe de 2 élèves
L’élève  passe d’une diapositive à la suivante. Dans la diapositive de gauche, Charlotte lit le protocole de l’expérience tandis que dans la diapositive de droite,  Aurélien E. inscrit les 3 résultats qu’il a obtenus dans son expérience.

 

 Figure 4 : Affichage côté professeur (en cours de séance)
Pendant l’expérience, le professeur peut afficher le résultat de chaque élève
et remédier aux erreurs  des élèves

 

Figure 5 : Affichage côté professeur (projeté en fin de séance)
A la fin de l’expérience, a fonction Overlay permet d’afficher le nuage de points de tous les résultats expérimentaux afin de donner à voir graphiquement l’incertitude des mesures.

 

L’évaluation est individuelle et par groupe.  Il s’agit d’une évaluation seulement formative : les expériences sont souvent réalisées en groupe mais le travail reste  différencié car chaque élève donne les résultats qu’il a obtenus.

Certains élèves ont choisi cependant de partager les résultats qu’ils ont obtenus en groupe.

 

Il manque une récupération globale des résultats sous forme chiffrée : on ne peut observer que le graphique. Si l’objectif est de pouvoir exploiter les données de tous les élèves (pour un éventuel calcul statistique), il est préférable de s’orienter vers un tableur collaboratif en ligne comme Framacalc.

L’élève utilise un équipement de l’école.

Une connexion internet est nécessaire pour cette activité. Les données sont enregistrées sur un serveur privé (voir fiche la protection des données) : Desmos.com.

Description des applications scientifiques utilisées  sur smartphone

Parmi les multiples applications scientifiques disponibles dans les stores iOS et Android, nous avons choisi de comparer Sensor Kinetics et Phyphox. Elles sont toutes les deux gratuites, installables sur la plupart des smartphones (android et iPhone)  et affichent les mesures sous forme de graphique.

Sensor Kinetics a été choisi car l’acquisition est rapide et l’analyse des résultats simple : l’échelle du graphique est paramétrable par glissement des doigts (zoom).  Phyphox a été choisi notamment car il offre la possibilité d’être commandé à distance par un autre périphérique et présente des fonctions complémentaires à Sensor Kinetics.

Installation des applications sur les smartphones

L’installation depuis Google play (android) ou App Store (iphone, ipad) ne pose pas de problèmes majeurs aux élèves. Depuis le store de leur smartphone, ils trouvent grâce au nom de l’application et éventuellement son éditeur quelle application installée.

Phyphox
Physical phone experiments
by RWTH Aachen University

   

Sensor kinetics
By INNOVENTIONS, Inc



 

Une information aux familles a été distribuée en décrivant la méthode de prévention des risques. Cette information n’a pas été bien interprétée par les élèves: « Je ne veux pas casser mon smartphone », dirent-ils. Il a été nécessaire de montrer l’intérêt de la prévention du risque. Une fois explicitée en classe la notion de prévention des risques, les élèves ont adhéré au projet et décidé d’installer les applications proposées.

Il est nécessaire que le règlement intérieur de l’établissement stipule que l’utilisation des smartphones est autorisée en classe à des fins pédagogiques.

Le nombre de smartphones par groupe était assez limité. Quelques freins à l’installation ont été observés : manque d’espace mémoire, application non compatibles avec les smartphones Microsoft, appareil déchargé. Ces freins sont à la fois techniques mais reflètent un investissement limité de bon nombre d’élèves.
Amélioration : Décrire la place réelle que prennent ces applications.

 

Utilisation des smartphones en classe

L’écran du smartphone est petit et sa tenue dans une main n’encourage pas le travail en groupe. Il est souvent nécessaire de faire préciser les points de mesure par la pointe fine d’un crayon. L’affichage sur un écran plus grand favorise les échanges dans le groupe et avec le professeur.

Il est nécessaire de stimuler les échanges en donnant des rôles aux élèves (« je m’occupe de l’expérience pendant que tu fais les réglages du smartphone ») afin de sortir de l’usage individuel du smartphone. Si le groupe possède plusieurs smartphones, il est possible de multiplier les mesures avec les smartphones disponibles.

 

Figure 6 : L’élève manipulant son smartphone a tendance à  s’isoler de son groupe

L’application Phyphox a l’avantage de pouvoir être commandée et affichée par un périphérique extérieur. Cette méthode permet de favoriser le travail en groupe et l’affichage sur un écran plus grand. Les élèves réussissent après un temps de recherche non négligeable à faire fonctionner cet accès distant (voir annexe 2). Il est sinon possible d’exporter les données par wifi/4G ou bluetooth.

Cette étape a été facilitée par la présence d’ordinateurs portables qui ont pu se connecter par wifi au point d’accès créé sur le smartphone (ou recevoir le cas échéant les données par bluetooth) La contrainte technique est assez importante et le professeur doit être capable d’expliquer le cheminement général aux élèves pour qu’ils aboutissent.

Figure 7 : Extrait de l'annexe décrivant comment Phyphox peut être commandé à distance
L’annexe 2 présente des limites de lourdeur qui pourraient être levées par un tutoriel vidéo.

La méthode de transfert de fichier par bluetooth s’est révélé la plus rapide et la moins contraignante d’un point de vue technique.

Exploitation scientifique des applications

La sauvegarde des données de mesure (par copie écran ou par envoi des données) est une nécessité à explorer, afin de pouvoir revenir sur l’interprétation  d’un graphique. Sensor Kinetics ne permet pas d’export dans sa version gratuite.

La notion de fréquence d’échantillonnage  est délicate à aborder en classe de seconde. Elle a été mesurée par les élèves. Connaitre la définition et la relation entre fréquence et période est nécessaire pour comprendre comment déterminer la fréquence d’échantillonnage réelle des applications. Suivant l’application utilisée, les fréquences d’échantillonnage se révèlent bien différentes pour le même appareil. C’est l’application phyphox qui possède la fréquence réelle la plus stable et la plus grande.

 

Figure 8 : Copie écran (avant et après zoom) de l'application Sensor Kinetics
Grace au zoom, on peut accéder à la période d’échantillonnage réelle de l’application. Elle se révèle très inférieure à celle affichée (20 Hz au lieu de 91 Hz)

 

Figure 9 : Copie écran des données issues de l'application Phyphox
La fréquence d’échantillonnage de l’application est à la fois régulière et très grande.

 

L’application Phyphox présente le plus d’avantages scientifiques : expérience à distance, export au format excel, analyse des résultats sur un écran plus grand (tablette ou ordinateur), fréquence réelle d’échantillonnage la plus stable et la plus grande. L’exploitation des données nécessite un tableur grapheur qui favorise le travail de groupe. Nous avons choisi d’utiliser le tableur grapheur scientifique de l’établissement (Latis pro). Le choix d’un tableur grapheur généraliste aurait simplifié la démarche. Pour conclure, le transfert et l’exploitation des données de l’application du smartphone sur un autre périphérique nécessitent des compétences informatiques importantes qui prennent du temps d’assimilation en classe. Nous avons en classe de seconde vu assez rapidement les limites de bon nombre d’élèves.

Il est donc important de souligner que même si la fréquence d’échantillonnage de l’application Sensor Kinetics est faible (20 Hz au lieu de 100 Hz), la lecture graphique sur l’écran du smartphone facilite grandement le travail de mesure des élèves de seconde.

Pour comprendre la courbe issue de l’accéléromètre, il est nécessaire de maitriser des notions importantes de la classe de seconde : le principe d’inertie et la relativité du mouvement. Au lieu du  terme « accélération », on a utilisé le terme « valeur affichée par l’accéléromètre » pour indiquer que az représente la distance entre la masse et son support. Un modèle simple à fabriquer a été proposé dans le cas de la chute libre.

 

 

az

 

Figure 10 : l'accéléromètre vertical peut être modélisé par une masse  retenue par un ressort
La valeur affichée par l’accéléromètre az représente la distance entre la main et la masse. Du fait de l’inertie de la masse, le début de la chute correspond à une diminution de az et la fin de la chute correspond à une augmentation de az.

 

 

Figure 11 : Copie écran de l'analyse d'une courbe d'accéléromètre (3 chutes successives)
Les données issues de Phyphox peuvent être affichées dans un tableur grapheur généraliste. Le réglage de l’échelle sur l’axe des abscisses (minimum et maximum) permet de zoomer dans la zone  à étudier.

 

La mesure de l’accélération par smartphone peut interroger bon nombre de physiciens qui n’y voient pas l’accélération au sens physique du terme. Tous les smartphones peuvent afficher une accélération dont la valeur inclue la contribution de l’accélération gravitationnelle. Au repos, cet accéléromètre renvoie une valeur de 9,8 m.s-2, ce qui est contraire à la valeur attendue par un physicien. En exploitant les données du gyroscope et du magnétomètre, les applications scientifiques proposent la mesure de l’  « accélération linéaire » (appelée « acceleration without g » sur phyphox). Lorsque l’appareil est au repos, cette « accélération linéaire » renvoie la valeur « 0 ».  http://phyphox.org/experiment/acceleration-without-g/

Les smartphones qui possèdent un gyroscope peuvent donc mesurer une accélération au sens physique du terme. Mais ce n’est pas une majorité en 2017.

Afin d’éviter cette confusion bien réelle, le premier parti pris a consisté à ne pas nommer « accélération » mais plutôt « valeur affichée par l’accéléromètre ». Cette valeur est associée à une distance masse-support dont les variations sont en lien avec des notions de physique adaptées à la classe de seconde : relativité du mouvement et principe d’inertie. 

Cette activité engendre-t-elle plus d’obstacles épistémologiques chez les élèves qu’elle leur apporte de réponses sur les questions de relativité et d’inertie ? Un dernier parti pris (en classe de terminale par exemple) pourrait être de définir l’accélération au sens physique du terme et de montrer qu’en première approximation, la valeur mesuré par l’accéléromètre suivant l’axe vertical est la somme de l’accélération physique et de l’intensité de pesanteur. 
http://www.rotoview.com/linear_acceleration_sensor.htm

Phyphox permet de mesurer la valeur absolue, composée par les 3 composantes du vecteur. L’analyse des données mesurées peut être simplifiée car une seule courbe de cette valeur absolue  est à traiter au lieu des 3 courbes. Cette méthode fonctionne uniquement si le protocole expérimental bloque efficacement le mouvement étudié dans un seul axe.

 

Résultats et qualité des mesures

Si l’on fait un montage (par copie d’écran) des résultats observés sur Desmos, on observe que les fluctuations de mesures sont assez énormes. La ligne grise représente la valeur attendue pour une chute libre de 50 cm de haut :  0,319 secondes. La notion d’incertitude de mesure est facilement admise par les élèves. Ce type d’affichage est réalisable par le professeur en projetant au tableau et en inscrivant la position des valeurs extrêmes.

Figure 12 : Copie écran des différents résultats obtenus (montage d'images issues de différentes copies d’écran)

 

La qualité des mesures effectuées par les élèves n’est pas au rendez-vous. Les résultats sont très éloignés des tests réalisés par le professeur : ils montrent la difficulté de mise en œuvre de telles expériences au niveau de la classe de seconde.

Exp1
horloge bio

Exp 2
Chrono

Exp 3
Sysam

Exp 4
Sismo

Exp5 Sensorkinetics

Exp6 Phyphox

Nombre de mesures

8

15

64

51

26

13

Moyenne des durées mesurées

1,09

0,31

0,37

0,35

0,38

0,46

incertitude  (en%)

127%

60%

60%

75%

59%

70%

ecart relatif (en %)

241%

-3%

15%

9%

19%

43%

 

Le nombre de mesures est très aléatoire : les expériences n’ont pas été renseignées par le même nombre d’élèves. Les expériences 5 et 6 ont été difficiles pour les élèves et la fin de ce projet a montré un certain épuisement à faire des mesures. Le nombre de mesures à faire par les élèves est certainement trop important : demander trois mesures par groupe au lieu de trois mesures par élève permettrait de gagner du temps.

Ce gain de temps permettrait d’obtenir plus de qualité dans les mesures. L’incertitude a été arrondie au double de l’écart-type. Quelque soit l’appareil utilisé, on obtient des incertitudes sensiblement équivalentes. Ces incertitudes supérieures à 50% montrent que le phénomène étudié est assez rapide pour la finesse d’exécution d’élèves de seconde. En effet,  les incertitudes ne sont pas dues à l’appareil uniquement mais aussi à l’implication des élèves sur la mise en œuvre du protocole et à l’interprétation des courbes obtenues. La vérification obligatoire d’au moins une mesure par groupe permettrait de plus limiter ces erreurs.

 

 

L’élève utilise son équipement personnel et un équipement de l’école

Une connexion internet n’est forcément nécessaire pour cette activité.