Présentation de l’Initiation aux Sciences de l’Ingénieur en seconde : le tremplin pour les études d’ingénieur

• Généralités
  • Le métier d’Ingénieur Le métier d’ingénieur consiste à résoudre les problèmes de nature technologique, concrets et complexes, liés à la conception et à la mise en œuvre de systèmes ou de services. Cette aptitude résulte d’un ensemble de connaissances techniques d’une part, économiques, sociales et humaines d’autre part.
  • Les systèmes pluritechnologiques complexes Un système est un arrangement d’éléments en interaction organisés pour atteindre un ou plusieurs objectifs définis.
  • Les compétences attendues des ingénieurs Au cours de leur formation, les ingénieurs doivent acquérir des compétences leur permettant de :
    • vérifier les performances attendues d’un système complexe
    • valider une modélisation à partir d’expérimentations
    • prévoir les performances d’un système à partir d’une modélisation

• Une approche inductive par les Travaux Pratiques
  • Introduction L’enseignement en ISI se distingue des autres enseignements par son approche inductive des différents concepts et savoirs, permettant ainsi aux élèves de seconde de se familiariser avec la prise d’initiative, l’autonomie et l’acquisition des compétences qui s’articulent autour des trois grands écarts : Centrées autour des systèmes pluritechnologiques instrumentés du laboratoire (systèmes grands publics, de l’environnement de l’élève ou industriels), les activités de travaux pratiques sont largement prédominantes. Les concepts découverts ou approfondis en TP font l’objet de synthèses de connaissances régulières.

Radio Solaire	Robot de nettoyage automatique de piscine
Panneau publicitaire	Chaîne de conditionnement de granulés
Borne escamotable de rue piétonne

• Des séquences inductives

Les séances de trois heures hebdomadaires sont organisées en séquences, faisant partie d’un même centre d’intérêt. Elles comportent :

• Des Travaux Pratiques de découverte et de consolidation des connaissances

En prenant appui sur des systèmes pluritechnologiques différents, les élèves sont amenés à proposer des protocoles expérimentaux permettant de modéliser, par des lois simples, un ou plusieurs phénomènes et à valider ces lois grâce à des mesures.

• des synthèses des connaissances

Regroupant l’ensemble des élèves, ces activités permettent de structurer les connaissances découvertes en TP, et de formaliser les concepts identiques découverts par les élèves sur les différents systèmes.

• Une organisation annuelle par Centres d’Intérêt

Les supports étudiés sont innovants et pluritechnologiques. Ils comportent donc à la fois une chaîne d’information (partie "cerveau" du système) et une chaîne d’énergie (partie "bras et jambes" du système). Les différentes séquences sont alors structurées par centres d’intérêt :

• CI-1 : Fonctions d’un Produit

Ce centre d’intérêt permet de mettre en évidence l’écart n°1 entre les performances attendues du système et les performances effectivement atteintes par le système. Il permet aussi de dégager les fonctions techniques des différents composants constituant le système et leur organisation structurelle : Chaîne d’énergie et Chaîne d’information. Prenons l’exemple du véhicule autobalancé Segway®, moyen de transport moderne qui permet de se déplacer en ville. Moins rapide qu’une voiture ou qu’un scooter, il est plus maniable, moins encombrant et plus respectueux de l’environnement. Le Segway® se pilote par inclinaison du corps vers l’avant ou vers l’arrière, afin d’accélérer ou de freiner le mouvement (comme pour la marche à pied dans laquelle le piéton s’incline vers l’avant pour débuter le mouvement). Les virages à droite et à gauche sont quant à eux commandés par la rotation d’une poignée directionnelle située sur la droite du guidon. La spécificité de ce véhicule est d’avoir un centre d’inertie situé au dessus de l’axe de rotation commun des deux roues, si bien qu’on se demande comment rester à l’équilibre, une fois monté sur la plate-forme. Tout comme le cerveau permet à l’homme de tenir debout sans tomber grâce à l’oreille interne, le système capte l’inclinaison par rapport à la verticale de la barre d’appui (supposée orthogonale à la plate forme), et maintient la plate forme à l’horizontale, quelque soit l’inclinaison du conducteur. Il comporte alors les éléments suivants : Et sa décomposition structurelle chaîne d’information (en bleu) et chaîne d’énergie (en rouge) est alors la suivante : Cet outil générique d’approche fonctionnelle technique et structurelle permet à tous les élèves :

*d’identifier les éléments qui composent la chaîne d’information et la chaîne d’énergie,

*d’acquérir une base de données de solutions et de principes techniques,

*de comparer et de faire des analogies entre les structures des différents systèmes étudiés.

• CI-2 : La chaîne d’énergie

Ce centre d’intérêt permet de mettre en évidence l’écart n°2 dans la démarche de l’ingénieur, en développant des compétences permettant à l’élève de dégager des modèles simples de comportement des différents constituants de la chaîne d’énergie, et à valider les lois mises en évidence par des expériences sur les systèmes réels :

*modèle de comportements des principaux actionneurs : moteurs électriques, thermiques, vérins, etc..

*modèle de comportements des principaux transmetteurs : engrenages, systèmes poulie courroie, systèmes à barres, systèmes bielles manivelles

• CI-3 : La chaîne d’information

Comme le précédent, ce centre d’intérêt permet d’illustrer l’écart 2 de la démarche de l’ingénieur, en permettant à l’élève de découvrir les modèles de comportement des constituants de la chaîne d’information des systèmes logiques :

*modèles de comportement des différents capteurs.

*modèles de comportement des différentes parties commandes : étude des programmations simples, en logique combinatoire ou par l’utilisation de l’outil Grafcet.

*modèle de comportement des différentes interfaces de dialogue entre la chaîne d’information et la chaîne d’énergie.

• CI-4 : La représentation graphique du réel

Les différents outils utilisés par les ingénieurs pour communiquer, schématiser et simuler le comportement des systèmes pluritechnologiques sont découverts en ISI :

*conception des différentes pièces par modeleur volumique

*assemblage des différentes pièces du mécanisme

*simulation du fonctionnement grâce aux modèles de comportement.

*validation de la qualité de la simulation par rapport aux mesures.

• CI-5 : Environnement, esthétique, ergonomie et prévention

Ce centre d’intérêt est illustré tout au long de l’année dans les autres centres d’intérêts et ne fait pas l’objet de séquences spécifiques.

• CI-6 : Les mini-projets

Ce centre d’intérêt, permet, en fin d’année, d’illustrer l’écart 3 de la démarche de l’ingénieur. Les élèves sont en effet capables d’exploiter les modèles de comportement mis en place et validés en cours d’année, pour proposer des solutions et les mettre en oeuvre face à un cahier des charges, suggérant la modification d’une solution constructive visant à améliorer les performances. Il ne s’agit pas ici de construire un nouveau système, mais de modifier une solution existante pour satisfaire les nouvelles performances exigées par le cahier des charges. Programmation de robots suiveur de ligne et modification du système de propulsion de la voiture Radio Commandée : passage d’une propulsion à une transmission intégrale

• Le tremplin pour les études d’ingénieur

L’enseignement en ISI met donc en oeuvre des compétences qui sont celles de l’ingénieur, à savoir :

• Analyser

• Décrire l’organisation fonctionnelle et structurelle du système
• Décrire le fonctionnement du système par un schéma, une représentation adaptée à l’étude demandée

• Valider

• Proposer des modèles et les valider par une expérimentation : parallèle modèle/réel : écart 2
• Valider la solution proposée en comparant les performances souhaitées aux performances mesurées : écart 1

• Imaginer

• Utiliser les modèles connus pour imaginer la solution permettant de satisfaire un cahier des charges

Ainsi, l’Initiation aux Sciences de l’Ingénieur en seconde constitue un tremplin pour les études d’ingénieur dans la filière Bac S-SI puis dans la formation des ingénieurs en cinq ans CPGE - GE.