Le réel connecté au modèle - Cndp

méca
AMMI
Le réel
connecté au modèle
GÉRARD COLOMBARI 1
Un grand nombre d’articles de Technologie ont abordé
le thème des aides multimédias interactives (AMMI) dans
la formation prébac, avec cette arrière-pensée qu’il est,
à ce niveau d’études, nécessaire de déployer un « génie
pédagogique » tout particulier.
Gérard Colombari, avec son expérience des classes
préparatoires aux grandes écoles (CPGE), a la sagesse de
nous rappeler que l’étude de la technologie, et en
particulier de la mécanique, n’est pas chose aisée quel
que soit le niveau de formation. Il nous présente donc
une manière de mener des activités sur système réel avec
une assistance informatique – qu’il appelle
environnement multimédia pédagogique (EMP) pour ne
pas la nommer AMMI.
La généralisation des sciences industrielles
pour l’ingénieur en CPGE (PCSI, MPSI, MP,
PSI) est un succès en termes d’intérêt des
étudiants de ces classes pour cette discipline.
Cependant, alors même qu’ils sont brillants et le
plus souvent motivés, l’expérience montre qu’ils
rencontrent des difficultés importantes de compréhension
des systèmes technologiques réels, surtout
dans le domaine de la mécanique. Nos disciplines
technologiques sont en effet, par essence, difficiles
d’accès, et les échecs ou rejets de certains
élèves ne peuvent être imputés au seul fait qu’ils
seraient moins forts ou moins intéressés. Et, quels
que soient les niveaux et les filières envisagés, le
temps d’apprentissage – le nombre d’heures de
cours – n’ira sûrement pas en augmentant. Il nous
faut donc nous orienter vers de nouveaux outils d’aide pédagogique
pour être plus efficaces.
La plupart des logiciels industriels du domaine de la mécanique
répondent à un besoin de conception des systèmes pour les bureaux
d’études. Ces produits de conception assistée par ordinateur
(CAO), de plus en plus complexes, s’adressent à des utilisateurs
experts et visent à les aider tout au long de la démarche de projet,
de l’expression du besoin à l’industrialisation.
Les récentes évolutions pédagogiques vont dans le sens d’une
intégration généralisée de ces produits dans les formations – et
donc d’une difficulté croissante d’appréhension de ces outils pour
les novices que sont nos élèves. Certes, la formation doit avoir
comme objectif la préparation des élèves aux outils contemporains,
et même futurs, de la mécanique. Pour autant, ces outils
utilisés comme seuls outils informatiques sont-ils les meilleurs
pour découvrir et apprendre la conception mécanique ? Je ne le
pense pas. D’autres, présentés dans ces pages, proposent une
solution complémentaire en début de formation.
Les objectifs recherchés sont de présenter :
– de manière inductive et intuitive, en début de formation, les
principaux concepts implicites qui sont utilisés en conception de
systèmes mécaniques ;
– des architectures et des solutions constructives contemporaines
éprouvées présentes dans un produit leader sur son marché.
1 Le système réel connecté
Le processus de conception est basé sur la confrontation
permanente d’un modèle plus ou moins affiné selon l’avancement
du projet à un réel postulé qui est le but de l’étude. Le point de
vue pédagogique retenu consiste à connecter un réel existant à
des modèles informatisés représentatifs des différentes phases de
conception et à faire travailler les élèves sur les correspondances,
les identités et les différences entre ce réel et ces modèles.
Cette approche est bien évidemment cohérente avec les programmes
de sciences industrielles et de sciences de l’ingénieur
actuellement en vigueur, qui préconisent l’étude de systèmes,
de sous-systèmes et de constituants existants sous forme de
travaux pratiques.
Nous prendrons ici comme exemple la barrière Sympact de la
société Didastel 1 et son environnement multimédia pédagogique
(EMP) pour présenter les différents aspects de la démarche
pédagogique. D’autres produits à caractère mécanique intègrent
les mêmes fonctionnalités – en particulier l’axe de robot Maxpid
et l’attacheur de végétation AP25 du même constructeur.
L’utilisation de l’informatique multimédia est essentielle, car
elle permet de mettre en œuvre des scénarios d’apprentissages
impossibles à réaliser sans cette technologie.
1. Professeur agrégé de génie mécanique en sciences industrielles pour l’ingénieur
(SII) au lycée Thiers de Marseille.
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La barrière Sympact et son EMP :
un système réel connecté à des modèles
L’appréhension de la relation modèle-réel, évidente pour le
concepteur et l’enseignant, nécessite une opération mentale
délicate pour le débutant en étude des systèmes. Lorsqu’un
spécialiste regarde la barrière, il « voit » la fonction réalisée,
la chaîne d’énergie retenue dans la solution présentée et donc
la chaîne de causalité permettant de piloter les différents
mouvements. Le novice ne voit évidemment rien de tout cela.
L’outil informatique va donc permettre :
– de représenter sur l’écran les modèles de pensée à côté du réel ;
– d’animer simultanément les modèles et le réel de manière
bidirectionnelle (le modèle pilote le réel et le réel anime le
modèle) ;
– d’utiliser les modèles pour calculer (prévoir) les performances
;
– d’utiliser le réel pour mesurer (contrôler, valider) les performances.
En travaux pratiques, ce sont les allers et retours réelmodèle
qui vont familiariser le débutant aux différentes activités
industrielles d’intervention sur un système. Ils préparent l’élève
au travail sur le modèle d’un réel absent, par exemple dans le
cas de l’étude d’un système trop important ou trop cher pour
être présent dans un laboratoire, ou postulé, dans le cas d’une
« vraie » conception.
Le modèle numérique 3 D
Le premier niveau de modèle accessible est le modèle numérique
3D. Celui proposé ici 2 , issu d’un modeleur 3D, est
« animable » par une connexion en temps réel avec la barrière
réelle. Les solides cinématiquement équivalents sont repérés par
une même couleur. Autour du modèle, un pupitre de commande
et des informations issues du comportement du système.
C’est la première modélisation qui doit être assimilée par
l’élève. Les mobilités de ce mécanisme vont être mémorisées
grâce aux mouvements coordonnés du réel et du modèle numérique
3D, mais aussi grâce au code couleur, qui reste le même
tout au long de la démarche.
La figure 3 propose un modèle numérique type, dont la
complexité, due au nombre d’éléments différents, apparaît
nettement. Les modélisations seront affinées progressivement.
2 Le modèle numérique par solides
La décomposition structurelle
Cette décomposition se fait à partir de représentations réalistes
4 de l’ensemble du système, c’est-à-dire de chacun des
éléments présents quelle que soit sa technologie, et non de la
seule partie mécanique. En effet, en début de formation, seuls
les produits grand public de son environnement ont une fonction
que l’élève peut facilement appréhender ; or, ces systèmes sont
le plus souvent pluritechnologiques. De plus, il est très délicat
d’isoler un mécanisme dans une chaîne d’énergie ; ce passage
doit être très progressif.
L’analyse du système
L’analyse descendante du système se sépare ici en deux voies :
La décomposition structurelle en constituants et en solides
(ensembles de pièces) ;
La modélisation du mécanisme en vue d’une étude mécanique
théorique.
3 Un modèle numérique type
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La modélisation du mécanisme
L’activité de modélisation est très difficile, car elle demande de
la part de l’élève une réflexion qu’il ne juge pas toujours utile
vis-à-vis du seul objectif de compréhension du mécanisme qu’il
observe. Ce qu’il ignore encore, c’est que seule la modélisation
lui permettra d’acquérir de réelles connaissances génériques
transférables à d’autres situations. C’est précisément sur ce
point délicat que l’EMP va l’aider.
Le principe retenu ici est de montrer le passage du modèle
numérique 3D au schéma cinématique, par le maintien des
couleurs des solides et par un morphing dont cet article ne peut
évidemment pas rendre compte – et c’est bien là l’intérêt des
technologies multimédias disponibles aujourd’hui.
La connexion du modèle obtenu au réel permet d’animer un
schéma, ce qui, pédagogiquement, représente un apport important
par rapport à la représentation schématique sur papier, par
définition « arrêtée », utilisée abondamment par l’enseignement
de la mécanique.
Le modèle 5 est donc mobile, à partir des boutons 21
ou 31
.
La valeur numérique des paramètres suit le mouvement, ainsi
que, si la connexion est active, la barrière réelle. Le débutant
découvre, sans l’avoir construite lui-même, l’intérêt de cette
représentation pour l’étude du mouvement, dont les paramètres
principaux apparaissent.
Les activités de modélisation et de paramétrage sont au centre
des compétences à acquérir. On commence donc par montrer,
sans vocabulaire spécialisé, à quoi cela sert et ce que c’est.
On peut bien sûr aller jusqu’aux tracés des lois – théoriques –
5 La modélisation du système avec l’assistance de l’EMP
d’entrée/sortie, qui pourront être comparés aux résultats de
mesures sur le réel.
La validation de solutions constructives
Pour analyser, une fois leur principe connu et validé par l’élève,
les solutions constructives retenues par le fabricant, tous les
documents sont disponibles, notamment le cahier des charges
d’origine. Par exemple, les écrans 6 proposent la solution de
réalisation de la liaison pivot de l’axe principal de la barrière,
dont le dimensionnement « généreux » est lié aux chocs prévisibles
entre un véhicule et la lisse, qui ne doivent pas détériorer
le mécanisme.
Par ces activités d’analyse, les élèves se créent une culture
des solutions constructives importantes qui leur permettra plus
tard de concevoir eux-mêmes des éléments de système.
Il est dommage de rencontrer dès les premiers apprentissages
des TP qui conduisent à faire « critiquer » puis « améliorer »
la solution industrielle éprouvée par des élèves débutants ! Les
critiques ne sont souvent que des méconnaissances du cahier
des charges ou des conditions réelles de production. Il est sans
doute plus profitable et réaliste de proposer une variante du
cahier des charges (ici un angle de déplacement de la barrière
de 120°) et de demander à l’étudiant de modifier la solution à
partir d’un point de départ validé.
4 La décomposition structurelle du système complet
Le modèle connecté au réel
Les logiciels professionnels du domaine sont bien sûr principalement
dédiés aux besoins industriels de CAO, qui exigent d’eux
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6 L’étude des solutions constructives
toujours plus de fonctionnalités, reposant sur des concepts de plus
en plus complexes – le calcul par éléments finis, par exemple –
impossibles à aborder en début de formation. C’est surtout dans
cette période que les outils complémentaires que sont les EMP
seront utiles.
D’autre part, les sciences industrielles pour l’ingénieur ne se
limitent pas à la conception des systèmes ; des outils couvrant
un champ d’activité plus large – notamment la mesure des performances,
sans laquelle les aspects scientifiques de la discipline
disparaissent – sont nécessaires.
Le schéma 7 montre le type d’activités qu’un EMP permet
de développer et la place des études mécaniques assistées dans
ce processus d’apprentissage.
La découverte de la discipline au moyen des versions actualisées
des logiciels de CAO industriels n’est donc pas la seule
voie possible. Nous venons de le montrer avec les EMP, qui proposent
– en utilisant les technologies multimédias récentes – une
approche nouvelle de l’initiation à la discipline.
Dans un monde où la réalité virtuelle et la télé-réalité sont si
présentes, la compréhension scientifique et technique des images
passe par un apprentissage fort de la correspondance entre le
réel et sa représentation. Les sciences industrielles pour l’ingénieur
sont bien entendu une discipline du concret et du réel, et
nous devons prendre garde – surtout en début de formation –
à ne pas la présenter exclusivement sous les atours trompeurs
de la virtualité.
7 Les activités sur système réel avec assistance informatique
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