Travaux personnels encadrés

Page modifiée le 18 / 09 / 2006

Contenu : Ressources pour les élèves, mon planning personnel d'organisation des TPE 2001-2002, détails d'organisation, les sujets retenus par les élèves, documents distribués aux élèves, les difficultés

0. Thèmes pour les années scolaires 2006-2007 et 2007-2008

L’homme et la nature
Ruptures et continuités
Modèles, modélisation
Croissance
Savants et science, hier et aujourd’hui
Environnement et progrès
 

1. Ressources pour les élèves

1.1. Ressources disponibles sur ce site

• Réaliser un document scientifique, à l'aide de Word ou ClarisWorks, écrire des formules.
• Réaliser un site Internet (ou un document Intranet) scientifique, contenant des lettres grecques et des formules.
• Récupérer un document sur Internet.
• Utiliser Excel, superposer des graphiques, trouver les fonctions spéciales cachées d'Excel, la FFT...
• L'œil humain, des informations peu connues.
• Spectres lumineux, des expériences simples ou plus difficiles.
• Imagerie par résonance magnétique nucléaire, IRM, RMN, FFT. (Logiciel Vibrations (ancien et obsolète), documents réalisés dans le cadre d'une Olympiade de Physique ; vous trouverez mieux plus loin). Du code source Delphi (consultable à l'aide de Notepad), pour une simulation.
• Gravitation , mesure de la constante de gravitation universelle.
• Holographie, réaliser un hologramme sur plaque, imprimer un hologramme calculé CGH, holographie en ultra sons.
• Satellites et autres mouvements en mécanique, du code source Delphi, consultable à l'aide de Notepad, employant la méthode d'Euler.
• Transformée en série discrète de Fourier, transformée en intégrale de Fourier numérique rapide ou FFT : Ce site comporte diverses ressources, usage d'Excel pour calculer une FFT, librairie Delphi pilotant une carte Candibus avec calcul de FFT intégré, composant Delphi pilotant une carte Candibus avec calcul de FFT intégré, logiciel Vibrations (ancien et obsolète) et un cours, interactif et personnalisable, à l'usage des débutants et d'utilisateurs plus chevronnés, permettant des simulations et l'étude de fichiers sonores au format Wave, avec série de Fourier, comparaison du signal original au signal reconstitué, FFT avec de nombreux fenêtrages, création de fichiers Wave.
• Un mémoire très intéressant, accompagné d'un logiciel, de son code source Delphi et d'images, sur la compression d'images (JPEG), réalisé par Cyril Roussillon et Jean-Baptiste Dodane, dans le cadre des TPE mathématiques, physique, de terminale S, avec des transformées en cosinus discret (voisines de la FFT), en deux dimensions.
• Nouveau : 2 classeurs Excel sur l'émission des ondes radio, simulant une modulation d'amplitude et une modulation de fréquence, avec un bouton pour tracer les spectres en fréquence.

1.2. Autres ressources

Un forum de discussion a été créé par le Ministère de l'éducation nationale : www.enstimac.fr/forum/TPE

Nous vous conseillons aussi de consulter le chapitre Bonnes adresses de ce site.

Et plus particulièrement, le site de la société ADC Labs, qui propose des logiciels FreeWare en chimie. Ces logiciels permettent des visualisations en 3D, trois dimensions, qui peuvent très bien être détournées de leur but d'origine, par exemple pour traiter un problème de géométrie dans l'espace. De plus, des démonstrations gratuites sont disponibles : technique de construction d'un fullerène, très beau maillage d'une sphère...

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2. Planning personnel d'organisation des TPE (2001-2002)

Ce planning est destiné à me servir d'aide mémoire personnel ; il peut être utile, du moins je l'espère, à tout professeur ayant en charge un groupe d'élèves en Travaux Personnels Encadrés. De cette première expérience, il est possible de tirer les enseignements suivants : Il faut démarrer vite (ne pas passer un mois à choisir un sujet), prévoir dès le début des montages de physiques (production) illustrant le thème retenu, garder une trace immédiate (appareil photographique numérique, courbes, résultats numériques...) de tout montage ayant donné des résultats satisfaisants.
Expérience des années suivantes :
Ne pas hésiter à questionner les élèves sur l'état d'avancement de leur travail, car certains ne se rendent pas du tout compte de la minceur du travail qu'ils ont fourni.

2.1. Situation particulière de notre lycée

Notre lycée comporte 10 classes de seconde et cette année, 5 classes de terminale S. L'année précédente, il n'y avait que 3 TS (nous avions subi la désaffection pour les filières scientifiques constatée partout). La publicité pour les filières scientifiques à laquelle nous avons procédé a été très (trop) efficace, puisque le bon équilibre des diverses filières voudrait que notre lycée comporte 4 classes de TS (Ce sera le cas en 2002-2003). Les professeurs de physique, adapteront, en accord avec l'administration du lycée, leur 'propagande', pour arriver à cet objectif.

Par contre, le déclin de la filière littéraire n'a pas été totalement enrayé.

Notre administration a regroupé les élèves de TS, en fonction des options de spécialité et des élèves volontaires pour les TPE.
J'ai en charge ma TS, en TPE, avec mon collègue de mathématiques, Claude Thiébert qui enseigne les maths dans cette TS. Sur 5 classes de TS, 2 sont constituées pour l'essentiel d'élèves ayant choisi les TPE. C'est un assez fort pourcentage, surprenant car en contradiction avec les opinions assez négatives formulées par les élèves lors de leur consultation à l'issue des TPE de première S.

2.2. Organisation de pré rentrée

Nous avons choisi pour cette TS, option de spécialité Maths et Physique, le thème 'Images'.
Nous avons décidé de démarrer immédiatement avec les élèves.

2.3. Première séance avec les élèves

Le professeur de mathématiques (qui a eu contrairement à moi une classe de TPE l'année dernière) présente les choses : Le carnet de bord (nous insistons sur le fait qu'il doit raconter le déroulement des recherches, réussites, échecs... ), l'évaluation (les documents officiels vont bientôt paraître), la note au bac.
Nous passons au choix des sujets. Nous avions déjà, en cours normal, indiqué aux élèves que le thème serait 'Images'.

Claude Thiébert indique que l'année dernière, en 1° S, il avait fallu 3 semaines pour que les élèves se décident. Je propose de brusquer les choses et donne aux élèves une demi-heure pour se décider et former les groupes ! Ce sont des scientifiques, donc ils doivent être efficaces.
Tout en insistant sur le fait que le plus important est que le sujet retenu leur plaise, qu'il ne soit pas trop difficile (y compris sur le plan mathématique), qu'il sera toujours possible de détourner un sujet qui leur plaît pour qu'il corresponde au thème 'Images'.

Nous laissons les élèves seuls une demi-heure ; certains restent dans la salle, d'autres partent au CDI, pour vérifier si les idées qui les motivent correspondent à des documents disponibles.

2° heure, retour des professeurs, retour progressif des élèves.
Tous les groupes sont formés, tous les thèmes sont choisis ou presque. Nous notons les choix des élèves, les groupes ; nous donnons les premiers conseils (volontairement vagues).

2.3.1. Les groupes et leur sujet

2.3.2. Remarques sur les sujets choisis

3 groupes hésitent encore entre 2 sujets ; il faudrait qu'ils se décident définitivement pour la semaine suivante.
1 groupe a retenu un sujet qui correspondrait mieux au thème 'Espace et mouvement'. Nous acceptons cela, puisque nous nous étions limité à un seul thème, 'Images', uniquement pour simplifier.
Plusieurs groupes ont choisi des sujets correspondant bien au thème 'Images', mais plus orientés sur la biologie. Nous acceptons les sujets, en ajoutant les conseils suivants :

• Ne monopolisez pas trop vos professeurs de SVT, qui ont eux-aussi leurs élèves,
• essayez d'aborder des aspects mathématiques (même simples), pour que la présence du professeur de mathématiques se justifie.

Quelques thèmes qui avaient été évoqués lors de la première heure ont été abandonnés 'spontanément' par les élèves, après que les professeurs aient fait remarquer qu'ils étaient trop difficiles au point de vue mathématique (cryptographie quantique, paradoxe de Schrödinger), ou peu en rapport avec les mathématiques (et pas drôles du tout) (chimiothérapie).
Les groupes qui hésitent entre 2 sujets demandent leur avis aux professeurs. Ceux-ci montrent les avantages et inconvénients de chaque sujet, mais laissent aux élèves le soin de prendre la décision finale.

2.3.3. Planning de travail des élèves

Dans la dernière demi-heure, les élèves sont invités à construire leur planning de travail.
C'est très simple. Nous sommes aujourd'hui, tout doit être terminé en février 2002, un mois avant, il faut s'attacher à la rédaction du mémoire, à la 'production'. Il suffit de noter les semaines.
Les professeurs donnent aussi des conseils aux élèves sur le temps qu'ils doivent consacrer aux TPE, en dehors des 2 heures hebdomadaires. Ni trop, ni trop peu, et surtout, il faut que le travail soit régulier.

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2.4. Deuxième séance

Au cours de cette séance de travail, nous décidons définitivement des sujets choisis par tous les groupes d'élèves. La liste précédente est modifiée en conséquence : En gris les sujets abandonnés, en noir, les sujets conservés, en rouge les sujets adoptés lors de la deuxième séance et qui n'avaient pas été envisagés lors de la première.

Nous affinons le plan de travail, en insistant sur le fait que les locaux manquent pour réaliser sur place, et aux heures habituelles attribuées aux TPE, des expériences. Il n'est pas question d'assister comme l'année dernière à un déferlement d'élèves (sympathiques au demeurant) dans tous nos laboratoires, ateliers, vestiaires... Il faut dès à présent que chaque groupe réfléchisse à ce que sera sa future production. S'il souhaite expérimenter, peut-il le faire à l'extérieur du lycée, dans quelles conditions matérielles ? S'il veut expérimenter au lycée, il faut réfléchir à l'organisation, étudier les emplois du temps. Le professeur de physique peut accueillir les élèves au laboratoire et leur montrer le matériel disponible, pendant que les autres peuvent s'adresser au professeur de mathématiques.

Nous revenons sur le carnet de bord. Les élèves ont-ils commencé à le remplir ? Si non, il faut qu'ils réagissent. Les professeurs donnent un exemple de ce que pourrait contenir un carnet de bord bien tenu, à l'issue de la première séance :

• La date,
• les divers sujets envisagés,
• les sujets écartés, avec les raisons du choix (ne plaît pas à tous, semble trop difficile, déconseillé par le professeur, pour telle ou telle raison... )
• le sujet retenu,
• les premières recherches, avec les références précises des documents déjà trouvés,
• le plan de travail adopté...

Les professeurs proposent leurs services pour des cours de formation, PowerPoint (présentation), Word pour scientifiques, langage html pour scientifiques, Excel pour scientifiques. Les professeurs donnent l'adresse de leurs sites personnels où des documents sont disponibles.

Des documents sont distribués : Une présentation des TPE, un modèle à remplir pour le carnet de bord, la grille d'évaluation de l'année précédente (qui sera modifiée lorsque paraîtront les documents officiels), un document de conseils.
Ensuite les élèves se mettent au travail, au Centre de Documentation et d'Information (sous la responsabilité de la documentaliste), en salle informatique (sous la responsabilité du professeur de mathématiques), au laboratoire de physique (local des professeurs, sous la responsabilité du professeur de physique et petit local informatique, pour l'instant sans surveillance directe, mais la salle sera mise en sécurité).

Trois groupes se rendent au laboratoire de physique ; le professeur leur montre du matériel qui pourrait servir à un montage illustrant leur sujet : Souffleries aérodynamiques (groupe 2, le Père Noël), machine de Whimshurst et oscilloscope numérique (groupe 11, radar), émetteur et récepteur à ultra sons (groupe 7, échographie).

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3 Ces documents

3.1. Une présentation des TPE

3.2. Modèle à remplir pour le carnet de bord

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4 Semaines suivantes

4.1. Semaine 3

Un rayonnage d'armoire est mis à disposition des élèves pour qu'ils déposent leur carnet de bord en fin de semaine, afin que les professeurs puissent les consulter.
Ensuite les élèves se mettent au travail, au Centre de Documentation et d'Information (sous la responsabilité de la documentaliste), en salle informatique (sous la responsabilité du professeur de mathématiques), au laboratoire de physique (local des professeurs, sous la responsabilité du professeur de physique et petit local informatique, pour l'instant sans surveillance directe, mais la salle sera mise en sécurité). Trois groupes se rendent au laboratoire de physique :

• Le groupe 11 (radar) est inquiet d'avoir à manipuler un oscilloscope numérique. Une discussion avec le professeur leur permet de comprendre pourquoi un oscilloscope analogique ne conviendrait pas. Les élèves se rabattent sur une simulation d'un radar par un sonar à ultra sons. Le professeur les aide à monter leur manipulation.
• Le groupe 10 (picosatellites) demande à utiliser la petite salle informatique (pour l'instant non sécurisée et de toute façon sans surveillance), pour tenter une simulation du mouvement d'un satellite. Le professeur leur propose un logiciel (disponible sur ce site Internet), mais attire leur attention sur le fait que ce qui est intéressant est de savoir comment sont effectués les calculs. Ils devront utiliser les connaissances acquises dans leur cours de physique de cette année, et demander au professeur de mathématiques des informations sur la méthode d'Euler. Une difficulté supplémentaire réside dans le fait que leur problème est à 2 dimensions.
• Le groupe 6, (photographie) demande à voir le laboratoire photo et cherche s'il y reste des réactifs et du papier photo. Il n'y a presque plus rien, car l'année précédente, les premières L n'ont pas traité le thème photographie. Le professeur s'engage à approvisionner le laboratoire.
• Le groupe 1 (télévision) demande des informations. Le professeur les pilote sur le cours de spécialité physique de terminale S.

Conclusion de la semaine 3

Pour l'instant, tout se passe bien, mais une difficulté se profile : Comment organiser en Février les présentations des élèves, avec leurs manipulations ? Un élève propose que le matériel leur soit fourni 5 minutes avant la présentation ! Le professeur lui fait remarquer que s'ils parviennent à faire fonctionner un montage en 5 minutes, cela relève de l'exploit.

Ne serait-il pas possible que le jury valide le travail expérimental dès que celui-ci est au point ? Avantages : Étalement dans le temps, possibilité de travailler dans un petit local ou dans le local des professeurs de physique, possibilité pour les élèves d'aborder la partie montage en premier, sans courir le risque d'avoir tout oublié au mois de Février. Cette proposition sera soumise à l'administration du lycée. Elle pourrait éviter la situation critique connue l'année précédente et évoquée dans le paragraphe 5.

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4.2. Semaine 4

Une présentation rapide du document officiel sur le déroulement de l'épreuve de TPE a lieu. En première lecture, il semble que la production (donc éventuellement un montage expérimental) doive être présentée lors de l'épreuve. Il faut alors envisager de banaliser l'usage du département de physique ce jour là, pour éviter la pagaille constatée l'année précédente.
Deux groupes d'élèves reviennent voir le professeur de physique :

• Groupe 9 (Compression de données + cryptographie maintenant) : Un élève est plus intéressé par la cryptographie que par la compression de données. Le professeur lui conseille de ne pas se disperser. Il lui fournit 2 documents, un du laboratoire d'optique de la faculté des sciences de Besançon, sur le cryptage par chaos non linéaire et un petit livre sur la cryptographie. Il faudra réfléchir sur la reconstitution d'un groupe de travail, afin qu'un élève ne reste pas seul, ce qui est contraire à l'esprit des TPE.
• Groupe 2 (Le Père Noël) : Le professeur de physique est appelé à calculer des distances entre points d'un maillage régulier à la surface de la Terre.

4.3. Semaine 5

Concertation entre les deux professeurs responsables. Le professeur de mathématiques a consulté les carnets de bord des élèves ; il souhaite l'avis du professeur de physique, pour éviter que des élèves ne s'engagent trop longtemps sur une fausse piste.
Quatre groupes se rendent au laboratoire de physique :

• Groupe 10 (Les picosatellites) : Ils souhaitent expérimenter une cellule photovoltaïque, et réaliser un petit film pour le placer sur un site Internet. La séance se déroulant de 8 H à 10 H, ils décident de tourner le film peu avant 10 heures, quand le Soleil éclairera la cour. Le professeur leur montre rapidement le fonctionnement de la caméra vidéo, puis leur suggère de s'entraîner au laboratoire, en éclairant le capteur photovoltaïque à l'aide d'une lampe à halogènes. Les élèves découvrent qu'il suffit de masquer 1 seul des panneaux sur les 6 que compte le capteur, pour que le petit moteur électrique cesse de tourner. Un débat s'engage. Les élèves proposent d'éloigner la lampe du capteur (il pensent que l'effet est linéaire), pour obtenir le même résultat. L'effet attendu ne se produit pas, le moteur continue à tourner. Le professeur suggère qu'il doit se passer des choses plus compliquées. Les élèves demandent au préparateur comment sont branchées les cellules, en série ou en parallèle ? Le professeur conseille de tracer une caractéristique U = f (I) du capteur. Après des essais infructueux (les élèves branchent un rhéostat en série avec le moteur et imposent que celui-ci tourne toujours), le professeur leur demande de réfléchir aux paramètres pertinents (comme c'est bien dit !!! ). Le moteur est retiré. Les élèves effectuent 15 mesures. Le professeur leur fait remarquer qu'il est curieux que U augmente quand I augmente. Il y a une erreur de branchement. Le professeur leur montre comment s'assurer que la manipulation va bien se dérouler, avant de remplir des pleines colonnes de chiffres. Le professeur leur montre enfin comment acquérir, puis compresser la cassette vidéo qu'ils viennent d'enregistrer.
• Groupe 6 (Photographie) : Le professeur leur présente le laboratoire photographique, leur montre rapidement le fonctionnement de l'agrandisseur, du minuteur, des lampes inactiniques ; il leur conseille de lire attentivement et de photocopier les modes d'emploi des réactifs et de ne pas gaspiller le papier photographique.
• Groupe 1 (La télévision) : Les élèves, qui ont consulté leur livre de spécialité physique chimie de terminale S, viennent demander des explications au professeur car ils n'ont rien trouvé sur Internet. Celui-ci les renvoie à l'encyclopédie Universalis disponible au CDI ; mais le CDI est fermé, par suite d'une réduction de personnel. Le professeur leur confie l'encyclopédie Hachette qu'ils consultent dans notre petite salle informatique en accès libre. Ils y trouvent des définitions, mais pas les réponses à leurs interrogations. Le professeur les aide alors à reproduire une expérience décrite dans leur livre, simulation du balayage horizontal, avec un oscilloscope en mode XY et un générateur basse fréquence. Il leur montre qu'il faut employer une très basse fréquence pour voir quelque chose. Il leur fait rechercher la commande produisant un signal triangulaire dissymétrique. Il leur conseille de bien noter tous les réglages.
• Groupe 5 (IRM) : Les élèves demandent au professeur si on ne pourrait pas trouver une expérience montrant la discrimination spatiale de l'IRM. Le professeur leur demande de lui expliquer les principes physiques de l'IRM. Les élèves (au moins une des deux) ont bien compris. Il leur demande les paramètres dont dépend la fréquence de 'vibration' des protons. Les élèves se rappellent avoir vu une formule, mais pas plus. La valeur du champ magnétique est l'un des paramètres. La bobine dans laquelle est placé le patient rappelle une expérience récente de cours, créant un champ magnétique uniforme. En IRM, le champ varie légèrement, pour que les protons ne vibrent pas tous à la même fréquence. Comment se fait la séparation des fréquences dans le signal capté par l'antenne, où tout est mélangé ? Le professeur invite les élèves à se rappeler leur cours de classe de seconde ; il leur parle de transformation de Fourier, un terme qui leur rappelle quelque chose. Il leur indique que des documents existent sur ce site Internet, à ce sujet, mais qu'il semble difficile de reproduire en quelques heures le travail d'une année d'Olympiades de la Physique.

4.4. Semaine 6

L'administration nous demande, afin d'organiser l'épreuve de TPE, les groupes et sujets choisis.
3 groupes se rendent au laboratoire de physique :

• Groupe 3 (Cryptographie). Les élèves proposent que leur sujet, cryptographie devienne stéganographie. Ils se sont aperçu que le sujet choisi était trop vaste et la stéganographie est une des techniques de cryptographie, employant des images. L'idée est judicieuse. Ils ont trouvé des informations sur l'histoire de la stéganographie, fort intéressantes. Ils ont trouvé sur Internet un logiciel de stéganographie et aussi du code source en C. Ils souhaiteraient l'aide du professeur pour créer un programme à l'aide de ce source !!! Le professeur leur indique qu'il ne connaît pas le C, que c'est le langage le plus utilisé en programmation, mais qu'il est difficile. De plus le temps disponible pour chaque groupe est insuffisant. Il leur propose d'employer un logiciel de dessin, pour montrer comment les images sont modifiées. S'agit-il d'images au format Gif ou Jpeg ? Bonne question répondent les élèves.
• Groupe 10 ( Les picosatellites). Les élèves se sont aperçus d'une erreur dans leurs mesures précédentes : La courbe présente un pic anormal et ne correspond pas à ce qu'ils ont trouvé dans des documents. Ils refont les mesures. Le professeur leur conseille de vérifier rapidement l'allure de la courbe avant toute mesure plus précise, plutôt que de mesurer un nombre excessif de points. Il leur conseille aussi de relever tous les détails expérimentaux, type de la lampe et distance au panneau solaire, pour pouvoir reproduire l'expérience. Il leur conseille enfin de rechercher l'allure de la courbe pour un panneau non éclairé.
• Groupe 11 (Les images radar). Les élèves souhaiteraient refaire leur manipulation, pour s'entraîner. Mais il est tard, la place manque au laboratoire (nous sommes en période de livraison de matériel). Ils reviendront la semaine prochaine.

4.5. Semaine 7

Les deux professeurs décident de regarder attentivement les carnets de bord. Les élèves ont été prévenus. Beaucoup ont oublié de faire figurer leur nom sur leur carnet de bord !
La moitié des carnets est consultée. Le point de vue de chacun des professeurs sera présenté lors de la prochaine séance.
Quatre groupes viennent manipuler au laboratoire de physique.

• Groupe 5 (IRM). Cherchent des renseignements sur la transformation de Fourier. Le professeur de mathématiques leur en cherche. Recherche sur ce site Internet. Mais les documents sont trop compliqués. Une élève (qui a programmé en Delphi en classe d'IESP) souhaiterait faire un programme de FFT. Pas facile, quoi que, avec le composant pour Delphi disponible sur ce site... Autre possibilité proposée par le professeur : Employer un synthétiseur de son et enregistrer puis analyser le signal à l'aide du logiciel dont nous disposons, Labo 3.
• Groupe 6 (Photographie). Les élèves préparent les réactifs, d'après les modes d'emploi fournis avec les flacons. Elles réalisent 2 tirages trop noirs. Ne comprenant pas ce qui se passe, le professeur indique que le papier a reçu trop de lumière (les élèves pensaient le contraire) et que le développement ayant été trop court, l'image manque de contraste.
• Groupe 10 (Picosatellites). Leurs mesures de la caractéristique d'une cellule photovoltaïque sont encore fausses. Le professeur leur conseille de recommencer. Les élèves semblent un peu découragés. Après qu'une erreur de branchement du voltmètre ait été corrigée, les résultats semblent corrects. Le cas U < 0 est difficile à réaliser. Le professeur indique l'allure de la courbe. Les élèves ayant tracé la caractéristique pour 2 niveaux d'éclairement comprennent ce qui se passe lorsqu'une partie d'un capteur photovoltaïque est éclairée et l'autre pas.
• Groupe 11 (Images radar). Ils refont le montage de simulation avec l'émetteur de salves d'ultrasons Electrome. Ils ont l'idée de faire tourner (à la main) émetteur et récepteur, en direction d'obstacles situés à différentes distances. Leur expérience est concluante. Ils mesurent la distance d'un obstacle et le temps d'aller retour des ultrasons. Le résultat leur paraît convenable.

4.6. Semaine 8

Les professeurs donnent aux différents groupes leur avis sur leur carnet de bord. A part les noms manquants, quelques remarques s'imposent :

• Un groupe ne peut pas se contenter d'écrire : Nous avons cherché sur Internet et n'avons rien trouvé ; nous avons regardé le livre (conseillé par le professeur) et n'avons rien compris.
• Un autre groupe a effectué plusieurs séances de manipulation ; les premières ont été infructueuses, la dernière a donné des résultats, mais rien n'apparaît sur le carnet de bord. Or justement, c'est la démarche scientifique qui est intéressante. Les erreurs offrent autant d'intérêt que les réussites, si on en analyse les causes. Mais comment le jury d'oral pourra-t-il juger cette démarche si rien ne figure sur le carnet de bord ?

• Groupe 3 (Stéganographie). Ils ont trouvé sur Internet un exemple de 2 images, l'une normale, l'autre comportant une information cryptée. Comment trouver la différence, invisible à l'œil nu évidemment. Ils chargent les images dans Paint Shop Pro (acquis par le département mathématiques, pour les TPE de l'année dernière). Ils remarquent que ce logiciel permet d'effectuer des opérations entre 2 images, soustraction, addition, ou logique... Mais la soustraction dans chaque composante (rouge, vert ou bleu) donne une image totalement noire. Le professeur leur conseille de modifier la courbe de contraste ou courbe de g. La différence apparaît.
• Groupe 9 (Cryptographie). Une question est posée, sans rapport avec leur travail, mais faisant suite à une démonstration qu'il ont observée lors d'une séance d'Olympiades de chimie. Il s'agissait d'un matériau biréfringent placé entre deux polariseurs et éclairé en lumière blanche.
• Groupe 5 (IRM). Ne sont pas revenues à temps de leur visite à l'hôpital. Devaient essayer de programmer une FFT en Delphi.

4.7. Semaine 9

Les professeurs proposent d'organiser d'ici à quelques semaines, en Décembre donc, des séances de présentation du travail déjà effectué par chaque groupe ; cela devrait s'étaler sur trois semaines, ou quatre. Des explications sont données sur l'usage d'Excel, de logiciels de présentation.

Deux groupes d'élèves reviennent voir le professeur de physique :

• Groupe 1 (télévision). Se proposent de simuler le balayage d'un écran de télévision sur un oscilloscope raccordé à deux générateurs basse fréquence. Ils ont bien du mal.
• Groupe 6 (Photographie). Reviennent effectuer quelques tirages. Demandent l'autorisation de jeter les réactifs qui se sont oxydé.
• Groupe 4 (L'œil). Souhaitent montrer quelques défauts de l'œil et comment les corriger. Ils se rendent au département Sciences de la Vie et de la Terre, emprunter une maquette d'œil. Il semble qu'une autre mieux adaptée soit disponible. Ils réalisent des essais sur un modèle d'œil, avec des lentilles convergentes et divergentes.
• Groupe 5 (I.R.M.). Viennent monter une démonstration sur la FFT, avec un simulateur de sons, un oscilloscope, une carte d'acquisition et un logiciel (éventuellement celui qu'elles ont commencé à réaliser en Delphi). Le professeur leur suggère d'employer l'oscilloscope numérique possédant un module de FFT et leur conseille de bien noter leurs réglages.
• Groupe 7 (Échographie). Viennent voir le professeur de physique avec une page de calculs trouvés sur Internet, afin qu'il leur explique de quoi il s'agit. Relations aux dérivées partielles, conduisant à l'équation d'onde. Mais la résolution du système n'est pas complète ; les élèves expliquent qu'ils n'ont pas tout imprimé, pour ne pas monopoliser l'imprimante ! Trop difficile pour des élèves de Terminale S.

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4.8. Semaine 10

Le professeur de physique encadre un groupe d'élèves aux Olympiades de la Physique, rue d'Ulm, à Paris. Le professeur de mathématiques poursuit son travail, aide en mathématiques, PowerPoint, Excel, informatique...
 
 

4.9. Semaine 11

Les élèves, accompagnés de leurs professeurs, se rendent à Morteau, pour participer au carrefour des métiers.

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4.10. Semaine 12

Les professeurs transmettent aux élèves les dernières informations concernant le déroulement de l'épreuve TPE au baccalauréat. Un point reste à clarifier, il s'agit de la présentation de la production, lorsque celle-ci correspond à des expériences de physique, avec un oscilloscope par exemple. Si le montage est mis à disposition du jury, il ne sera pas en service, lors de la visite de celui-ci. Faut-il montrer le montage accompagné d'une notice descriptive et donner dans le mémoire une description précise des résultats obtenus ?

Puis chaque groupe d'élèves expose sommairement l'état d'avancement de ses travaux.

Les groupes et le sujet choisi ayant un peu évolué, depuis la première séance, voici un état espéré définitif :
 
 

Noms	Numéro du groupe	Sujet choisi	Commentaires
L'Hostis Donier	1	Comment se forme l'image dans la télévision	Le groupe maitrise quelques expériences expliquant le balayage et la formation de l'image. La partie mathématique semble insuffisante. Il leur est conseillé de s'informer sur la modulation d'amplitude. Les élèves posent une question concernant la transformation de Fourier.
Cabrera Marandet Lambert	2	L'existence du Père Noël est-elle  scientifiquement plausible ?	Les idées sont intéressantes ; la partie démonstration physique est à approfondir : Bilans de forces, forces qui produisent l'accélération du Père Noël, forces qui travaillent. (Tous sujets délicats pour des élèves de terminale S).
Espern Magnenet Baudin	3	La stéganographie  (comment camoufler un texte dans une image)	Les élèves ont un problème de compréhension, car ils ont découvert que la stéganographie utilise la transformation de Fourier.
Picot Thiebaud Monnot	4	La formation d'une image dans l'œil	Ont-ils trouvé dans l'établissement un modèle d'œil avec un cristallin à courbure variable ? Non, il n'y en a pas.
Bailly Barthet	5	IRM, codage spatial	Savent-elles comment on retrouve les 3 dimensions ?
Maffeïs Morel	6	Photographie, développement	La partie mathématique est trop légère. Elles devraient peut-être s'informer sur l'effet photoélectrique (qui n'est pas l'effet mis en jeu ici, mais il y a bien une interaction lumière matière), ou sur la courbe de noircissement qu'elles ont découverte, grandeurs physiques, graduation des axes.
Forgeron Vallet Jeannerod	7	L'échographie	La partie physique et mathématique est insuffisante, mais les équations d'onde sont trop difficiles pour des élèves de terminale. Elles devraient s'interroger sur les aspects suivants : Quelles ont les caractéristiques du faisceau ultrasonore ? Comment est réalisé le balayage, pourquoi y-a-t-il réflexion ?
Grandvoinnet Collery	8	La scintigraphie	La partie mathématique est insuffisante. Elles devraient peut-être s'intéresser à quelques lois statistiques concernant la radioactivité.
Dodane Roussillon	9	Les formats graphiques à compression	Ils ont trouvé la méthode (algorithmes) de compression Gif et Jpeg. Peut-être essayer d'expliquer cela de manière concrète.
Paillard Berthier	10	Les picosatellites	Ils souhaitent réaliser un site Internet, avec une animation représentant un satellite. Ils devraient peut-être s'intéresser à la méthode d'Euler, pour calculer les positions successives du satellite.
Cuenot Magnon Mivelle	11	L'image radar	La partie physique et mathématique peut être approfondie, directivité du faisceau, avions invisibles, radars géants...
Dumont Jobard	12	Cryptographie	Il faut essayer de rester assez concret et compréhensible, de bien partager les efforts.

Une séance dense et fructueuse. Il s'avère que sur 12 sujets mathématiques-physique choisis, 5 évoquent l'usage de la transformation de Fourier (Stéganographie, cryptographie, IRM, Comment se forme l'image dans la télévision, les formats graphiques à compression).
 

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4.11. Semaine 13

Préparation des semaines de rentrée de Janvier : A chaque séance, 3 groupes présenteront leur travail. Il n'y aura pas de notation, mais des conseils. Les groupes sont répartis.

Deux groupes d'élèves reviennent voir le professeur de physique :

• Groupe 8 (La scintigraphie). Les deux élèves découvrent le banc CRAB et sa notice. Elles effectuent des comptages et un début de traitement statistique.
• Groupe 2 (L'existence du Père Noël est-elle scientifiquement plausible ?). Discussion sur les forces qui travaillent et la signification du nombre de g.
• Goupe 1 (Comment se forme l'image dans la télévision). Ils ont un problème avec le logiciel (publié sur ce site) qui refuse de démarrer sur leur ordinateur personnel. Un problème de déclaration de serveur Ole semble-t-il. Ils travaillent sur ce logiciel installé sur l'ordinateur des professeurs.
• Groupe 10 (Les picosatellites). Ils se demandent quels seraient les points à approfondir : Localisation du satellite, transmission de l'information...

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4.12. Semaine 14

Groupe 11 (L'image radar)
Groupe 10 (Les picosatellites)
Groupe 9 (Les formats graphiques à compression)

Seul le groupe 9 a préparé un avant projet de mémoire. Leur travail est impressionnant.
Les travaux des 2 autres groupes sont plus 'légers' sur le plan scientifique. Se pose à nouveau la question de la présentation de la production. Autre question : le professeur doit-il aider les élèves à traiter des points scientifiques sur lesquels les réponses ont été évasives, voire fausses ?

A suivre.

// Note : Mon expérience des Olympiades de la physique me montre que d'un Jury à l'autre, les questions peuvent être très différentes, tout en étant tout aussi pertinentes.

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4.13. Semaine 15

Groupe 2 (L'existence du Père Noël est-elle scientifiquement plausible ?)
Groupe 6 (Photographie, développement)
Groupe 3 (La stéganographie (comment camoufler un texte dans une image))

Le travail du groupe 2 ne comporte pas de faute de physique semble-t-il. Ils pourraient peut-être creuser la question énergétique.

Le groupe 6 n'a pas terminé ses recherches sur les courbes de noircissement (fonction logarithme décimal en cours d'étude). L'énergie du photon est citée, mais sa signification n'est pas comprise.

Le groupe 3 n'a pas préparé sa présentation, mais donne un début de mémoire. Celui-ci est difficilement compréhensible par un non informaticien ; de plus le contenu mathématique et physique n'est pas assez développé.

Le groupe 1 (Comment se forme l'image dans la télévision) demande à travailler encore sur le logiciel cours sur la FFT, au sujet de la modulation d'amplitude.
 

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4.14. Conclusion

L'expérience a été enrichissante, tant pour les professeurs que pour les élèves. Se pose cependant toujours le problème des déplacements incessants des élèves dans le bloc scientifique, avec tous les risques que cela comporte.
 

5 Difficultés posées par l'organisation des TPE

Voici quelques remarques que m'inspire la mise en place des Travaux Personnels Encadrés dans notre établissement, plus particulièrement dans le domaine de la physique chimie et plus généralement dans le domaine des sciences expérimentales.

Tout d'abord signalons que le groupe de personnels travaillant au laboratoire de physique chimie a sur les TPE des appréciations contradictoires, considérant que par certains aspects ceux-ci sont très positifs, mais qu'ils induisent en même temps des conséquences pénibles voire inquiétantes.

Pour les aspects positifs, notons :

• Une approche différente des sciences expérimentales, moins dirigiste, reconnaissant le droit au tâtonnement, à l'erreur,
• des relations différentes avec les professeurs et le personnel de laboratoire, à la fois plus directes, mais avec le respect dû à celui qui peut aider à résoudre un problème que l'élève s'est à lui-même posé,
• un certain enthousiasme des élèves,
• la nécessité pour eux de rédiger un document, d'expliciter leur démarche, de formuler des hypothèses, de tirer des conclusions, ce qui est loin d'être évident, mais très formateur.

Par contre la mise en pratique des TPE provoque parfois une situation de désordre au niveau des bâtiments de physique chimie, tout à fait intolérable qui impose que des règles claires soient fixées (et suivies) et des moyens réels attribués :

• Déplacements incessants dans les couloirs, à toute heure,
• invasion de tous les locaux réservés aux professeurs, laboratoire d'optique, atelier de réparation, vestiaire salle de réunion, laboratoire de chimie et dès qu'elle sera en service, salle d'informatique, et cela sans présence d'un adulte, ni surveillance efficace. Je ne peux en tant que coordonnateur du laboratoire admettre cela, car je sais qu'il est bien plus facile aux élèves de prendre de mauvaises habitudes que de les perdre. Des collègues me font remarquer qu'il leur est impossible de venir préparer leurs cours, leurs expériences, lorsque se déroulent les TPE !
• les risques d'accident, de vol, d'actes répréhensibles (manipulations interdites, accès Internet à des sites prohibés... ) sont considérablement aggravés,
• des relations tendues s'instaurent entre professeurs, personnels de laboratoire, compromettant des années d'efforts pour développer un travail collectif.

Cette non maîtrise (parfois) de la situation peut avoir de graves conséquences.

Une première série de dispositions consisterait en :

• Dédoubler les classes, en sciences expérimentales, au minimum durant la période où les élèves expérimentent. De fait en 2001 - 2002, 2 professeurs auront la charge d'une classe en même temps et personnellement, je demande à mes élèves de TPE d'organiser et de commencer dès à présent leur expérimentation, en ayant à l'esprit que nous manquons de locaux et qu'il ne m'est possible de suivre qu'environ 4 groupes à la fois. Ceux qui viendraient manipuler en catastrophe une semaine avant la présentation devant le jury risquent d'être mal reçus ! Pour l'instant (18 janvier 2002), tout se passe bien dans ma classe.
• ne plus mettre en parallèle deux classes de TPE, ce qui avait été décidé pour permettre les échanges entre collègues, mais pose trop de problèmes de locaux (réalisé en 2001 - 2002),
• utiliser la salle 14 pour les TPE, grande salle polyvalente, permettant cours, travaux pratiques de physique et de chimie, travail informatique et accès Internet (pas vraiment retenu pour cette année, car seule une partie de cette classe 14 a été attribuée aux TPE)
• rappeler à tous que l'accès des élèves au laboratoire de chimie, aux autres laboratoires, aux locaux des professeurs et aux salles d'informatique est interdit, sauf en présence d'un adulte responsable (cela figure d'ailleurs dans les textes officiels).

• Constitution d'une liste de manipulations de physique, chimie, biologie, réalisables par les élèves chez eux, ou du moins en dehors du lycée. Cette façon de travailler est courante aux États-Unis et au Canada ; il faudrait constituer un groupe de travail national ou académique chargé de procéder à une compilation de ce qui existe, avec création d'un site Internet. Mon site personnel comporte quelques exemples, mais c'est le temps qui manque,
• prêt aux élèves du matériel peu coûteux nécessaire (réseaux, ressorts, lasers... ) (cela existe au Canada),
• mise à disposition du laboratoire de physique chimie d'un adulte, durant les heures d'expérimentation des élèves...

En conclusion, je veux encore une fois souligner qu'une idée novatrice intéressante, les TPE, peut conduire à des catastrophes, si elle n'est pas accompagnée des mesures nécessaires. L'organisation d'un laboratoire de physique chimie de lycée, sa modernisation, sa mise en sécurité, la mise en place en concertation des nouveaux programmes et des expériences qui les accompagnent, l'entretien du matériel, la constitution et le suivi de deux réseaux informatiques, demandent un effort considérable aux personnels de laboratoire, aux professeurs et particulièrement au coordonnateur.

Il serait très regrettable que tout ce travail soit compromis.

Cette année scolaire 2003-2004, je ne suis plus coordonnateur du laboratoire. Je suis donc un peu plus détendu, face aux problèmes d'organisation. Opération ZEN...

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