Apprendre la physique en accéléré avec un téléphone intelligent

Profweb a publié un dossier pour aider les enseignants à encadrer l’utilisation des cellulaires en classe.  Au Collège John Abbott, des enseignants ont trouvé une façon inattendue d’exploiter l’attrait des étudiants envers leurs téléphones en les utilisant comme outils d’apprentissage de notions fondamentales de physique.

Les accéléromètres et la physique

Pour soutenir son projet de créer des activités de laboratoire liant la physique et les technologies numériques, Chris Isaac Larnder a obtenu une subvention de l’Entente Canada-Québec pour 2 années consécutives. Ses collègues et lui ont travaillé avec des capteurs, appelés accéléromètres, que l’on trouve dans les téléphones intelligents.

Les accéléromètres sont les dispositifs des téléphones intelligents qui leur permettent de percevoir le mouvement.  Quand vous faites pivoter votre cellulaire pour voir une image en plein écran, c’est l’accéléromètre qui détecte le mouvement et envoie un signal au processeur, qui passe du mode portrait au mode paysage, ou inversement. Les accéléromètres ont des utilisations variées [en anglais], comme dans les podomètres ou les applications de détection de mouvement.

Ces dernières années, les accéléromètres sont devenus abordables et l’on en trouve dans des tablettes et téléphones à moins de 100$. Chris Isaac est fasciné par les capteurs depuis plusieurs années et a de solides connaissances en programmation. Il a eu l’idée d’utiliser les accéléromètres pour enseigner des concepts de physique de base.

Enseigner des concepts abstraits aux étudiants est un défi quand ceux-ci ne peuvent pas contextualiser leurs apprentissages. En travaillant avec les accéléromètres de leur téléphone, « les étudiants sont à même de découvrir que la maîtrise des fondements de la physique est devenue aujourd’hui non pas moins, mais bien plus pertinente pour leur littératie numérique. » Ça a été la prémisse de la présentation de Chris Isaac et de son collègue Michael Pagano au colloque de SALTISE de 2017, puis de l’atelier « mains sur les touches » qu’il a animé avec son collègue Brian Larade au colloque de SALTISE de 2018.

Chris Isaac propose 2 techniques pour enseigner de « vieux concepts de physique » d’une nouvelle façon.

• Il utilise la fonction de bascule entre le mode paysage et le mode portrait pour enseigner des notions qui sont traditionnellement présentées à travers le sujet plutôt rébarbatif du « plan incliné »: « En explorant les possibilités pédagogiques liées à l’étude de l’inclinaison d’un téléphone intelligent, j’ai été surpris de découvrir à quel point ça pourrait devenir une ressource éducationnelle riche. » (Voir « Le laboratoire sur l’inclinaison ».)
• Chris Isaac demande à ses étudiants de mesurer l’accélération d’un cellulaire en rotation sur un tourne-disque afin de déterminer la position exacte de l’accéléromètre à l’intérieur du téléphone.

Chacun des labos se base sur des concepts et des approches classiques en physique, tout en intégrant de nouveaux exercices misant sur la technologie des appareils mobiles.

Le laboratoire sur l’inclinaison

Dans le laboratoire sur l’inclinaison, les étudiants découvrent le système de coordonnées xyz et mesurent l’« angle critique » à partir duquel un téléphone passe du mode portrait au mode paysage. Chris Isaac m’a expliqué que chaque appareil a son propre angle critique, selon les choix faits par les développeurs des applications.

Chris Isaac prépare les étudiants aux labos avec une discussion sur le fonctionnement des accéléromètres et sur la manière dont ils peuvent être utilisés, de façon statique, pour évaluer le champ gravitationnel.

Les étudiants arrivent au labo après avoir eux-mêmes installé sur leur appareil une application accéléromètre (pour iOs ou pour Android), en suivant des instructions préparées par Chris Isaac.

« C’est là que le plaisir commence! Les 3 composantes de l’accélération sont mesurées et affichées en temps réel. Les étudiants tiennent leur téléphone sur son côté gauche, sur son côté droit, debout, tête en bas, à plat sur la table ou directement au-dessus de leur tête. » Pour chaque orientation du téléphone, les étudiants notent selon quel axe (x, y ou z) la gravité est détectée, et si sa composante est positive ou négative. « Ils commencent à rassembler les éléments, à percevoir qu’il y a une logique, une consistance interne, dans la façon dont l’application de l’accéléromètre représente la multitude d’orientations du téléphone. » Cette consistance interne est celle d’un système de coordonnées en 3D. Chris Isaac explique qu’à un certain point au cours de cet exercice préliminaire, il assiste à une « petite épiphanie ».

Les étudiants réalisent qu’ils tiennent un système de coordonnées entre les mains et qu’ils savent comment le lire.

Chris Isaac Larnder

Une étude systématique et quantitative de la transition portrait/paysage – Différentes orientations (Photos : courtoisie de Chris Isaac Larnder)

À travers leurs expérimentations, les étudiants appréhendent des concepts de physiques liés aux vecteurs, à la géométrie d’un plan incliné, à la force normale, à l’accélération gravitationnelle et à la relation entre les forces et l’accélération. Leur (toute nouvelle) aisance avec les systèmes de coordonnées en 3D est utile pour l’analyse de plusieurs phénomènes liés au mouvement circulaire, et devient indispensable pour s’attaquer aux phénomènes magnétiques, plus tard dans leur parcours scolaire.

Le laboratoire sur la rotation

Le deuxième laboratoire explore la notion d’accélération centripète d’une façon impressionnante et technologique, qui capterait même l’attention de l’étudiant le plus blasé. Les étudiants sont invités à déposer leur précieux téléphone sur le plateau d’une table tournante et à le faire tourner à 78 tr/min. Même si la surface du plateau a été adaptée et qu’une bordure protectrice autour du plateau assure qu’il ne peut y avoir d’accident, « la simple potentialité d’un danger a un effet galvanisant sur les habiletés cognitives des étudiants. Tout à coup, ils font des liens entre des notions théoriques et ce qu’ils identifient comme un urgent et réel problème de sécurité. »

Le protocole du laboratoire se lit comme un roman policier techno : quelque part à l’intérieur d’un cellulaire se trouve un minuscule accéléromètre. Mais où, exactement? « L’accéléromètre est rarement près du centre de l’appareil. La position change d’un modèle à l’autre. »

Un prototype de plateau tournant fait à partir d’un tourne-disque et de matériel facilement accessible et peu coûteux. (Photo : courtoisie de Chris Isaac Larnder)

Quand le téléphone tourne, l’application accéléromètre enregistre encore une fois l’accélération, cette fois-ci en donnant les composantes de l’accélération centripète. En sachant que ce vecteur pointe au centre de la trajectoire du téléphone, ils peuvent définir une ligne le long de laquelle le capteur doit se trouver. En déplaçant le téléphone sur le plateau et en répétant l’opération, la position du capteur peut être déterminée assez précisément.

L’image de droite montre les lignes tracées par un étudiant à chacune des étapes de l’expérience. Le point noir, là où les lignes se croisent, correspond à la position estimée de l’accéléromètre dans cet iPhone 4s. Le diagramme de gauche montre la position réelle de l’accéléromètre sur la carte du circuit imprimé. (Photos : courtoisie de Chris Isaac Larnder)

En option, Chris Isaac suggère aux étudiants de chercher sur le web pour trouver le diagramme du circuit de leur téléphone. « C’est extrêmement satisfaisant pour les étudiants de voir que leurs habiletés en physique leur permettent de deviner ce qui est à l’intérieur de la circuiterie de leur téléphone. »

Appréciation des étudiants et des enseignants

Le protocole actuel du laboratoire sur l’inclinaison de Chris Isaac est le résultat de multiples rééditions et révisions basées sur les rétroactions cumulées de 4 enseignants du Collège John Abbott et d’une enseignante du Collège Marianopolis, ayant travaillé avec plus de 200 étudiants.

Selon Chris Isaac, les étudiants accueillent l’approche avec enthousiasme. Ils sont attentifs et agréablement surpris d’apprendre qu’ils vont utiliser leur cellulaire pour apprendre la physique. Chris Isaac a l’impression que l’engagement des étudiants a augmenté. Il compte développer un questionnaire pour recevoir à l’avenir plus de rétroactions de la part des étudiants.

Les laboratoires sur l’inclinaison et la rotation sont le sujet d’ateliers que Chris Isaac a conçus pour permettre à des enseignants d’essayer et d’adopter aisément ces laboratoires. Ces ateliers ont eu lieu au colloque de SALTISE de mai 2018 et en août 2018 au colloque collégial de l’Association pour l’enseignement de la science et de la technologie au Québec (AESTQ).

Chris Isaac a développé le matériel pour les laboratoires sur l’inclinaison et la rotation en français et en anglais. Il serait heureux de le partager avec vous et de recevoir vos rétroactions.

Exploiter ce que les étudiants connaissent et aiment

Chris Isaac et ses collaborateurs (les enseignants Michael Pagano, Brian Larade, Étienne Portelance et Maggie Livingstone, de même que l’étudiant Frédéric Prévost) devraient être félicités pour leurs efforts à prendre un outil que les étudiants aiment et à l’exploiter de façon à les engager dans leurs apprentissages. À un autre niveau, il est important d’encourager la curiosité des étudiants et de les amener à réfléchir à ce qui se trouve « sous le capot » des appareils qu’ils utilisent au quotidien.

Avez-vous une approche innovante pour enseigner la physique en utilisant les technologies? Avez-vous utilisé une approche similaire à celle décrite ici? Laissez-nous un commentaire ci-dessous.

Chris Isaac Larnder est né et a grandi à Montréal. Depuis 12 ans, il enseigne au Collège John Abbott. Auparavant, il a travaillé comme programmeur dans l’industrie de l’infographie et a fondé la division montréalaise de l’ACM (Association for Computing Machinery), l’ACM SIGGRAPH Montréal.

En 2017 et 2018, Chris Isaac a fait une présentation au colloque annuel de SALTISE. En août 2018, il a animé un atelier sur les 2 laboratoires mentionnés dans cet article au colloque collégial de l’AESTQ. Il a aussi fait partie intégrante de la création d’un Centre collégial de transfert de technologie en intelligence artificielle dans son collège, en partenariat avec le Collège de Bois-de-Boulogne.

Certaines des activités de laboratoire mentionnées dans cet article feront l’objet d’un article à paraître dans l’American Journal of Physics.