Innovation Pédagogique et transition

A.V.A.T.A.R. : Analyse Vibratoire Assistée Technologiquement par l'Arduino pour la Rigidité

LaurentAldon — 2018-07-22T12:40:00Z

Ce projet s'intègre dans la formation initiale des DUT Génie Mécanique et Productique de l'IUT de Nîmes. Dans le cadre de la Science des Matériaux (SdM), les propriétés mécaniques et thermiques des diverses familles de matériaux (polymères, céramiques, métalliques…) sont abordées en se reposant sur la mise en œuvre de capteurs (sondes de températures, jauges de contraintes, phototransistors, capacitif, effet Hall, piezoélectrique, optiques...).
C'est l'occasion d'établir un lien avec les cours de technologie et d'électronique, et conforte alors l'apprentissage de l'étudiant dans le choix des composants industriels et dans la sélection d'un matériau répondant à un cahier des charges en vue de son utilisation pour ses propriétés de rigidité (soupape de moteur, axe de transmission…) ou d'amorti (semelle élastomère, isolation phonique...).

Contexte et motivations

La mécatronique ou l'électronique embarquée permettent aujourd'hui le diagnostic des systèmes mécaniques par un ordinateur de bord. La domotique propose également des systèmes électroniques et numériques permettant de contrôler à distance par liaison Bluetooth, Sigfox ou Lora, la fermeture de volets, la régulation de la température des pièces en intégrant des technologies devenues accessibles au grand public. Par ailleurs, la mouvance des « Makers » avec le développement de l'impression 3D a entraîné l'émergence de l'Opensource et de l'IoT (Internet of Things). Ainsi la carte de prototypage électronique Arduino et les outils de développement logiciels libres comme App Inventor 2 du MIT ou Python GTK (PySerial, PyLab…) ouvrent de nouveaux horizons pour nos étudiants et les métiers qu'ils exerceront demain.

J'ai la responsabilité des enseignements de Science des Matériaux aux 120 étudiants de Génie Mécanique et Productique de l'IUT de Nîmes, soit 10 groupes de Travaux Pratiques (TP) repartis en binômes ou trinômes.

Fort de cela,je propose à mes étudiants une séance de TP innovante en Learning Lab. En petits îlots, ils découvrent les bases de la programmation d'une carte Arduino en fabriquant un instrument de mesure pour la caractérisation des matériaux.

Ce dispositif expérimental est relié par Bluetooth à une tablette tactile ou un Smartphone Android. L'écran tactile permet alors de sélectionner les conditions expérimentales, de déclencher le début de l'expérience puis de récupérer les données dans un tableur pour le traitement ultérieur des données. Ils abordent ainsi la transversalité des enseignements en couplant la technologie des capteurs, le dimensionnement des structures ou la mécanique.

Le projet A.V.A.T.A.R consiste à équiper la salle de TP des fours de métallurgie d'un nouvel instrument de caractérisation des matériaux. En effet, les différentes familles de matériaux, selon leur module d'élasticité ou rigidité, sont utilisées pour favoriser la transmission des ondes acoustiques (instruments de musique) ou pour leur propriétés d'amortissement (isolation phonique, atténuation des phénomènes de vibration).

Pour illustrer les différentes applications industrielles qui en découlent, la conception d'un instrument de contrôle non destructif des propriétés mécaniques permettra aux étudiants répartis en binômes ou trinômes de compléter leurs connaissances en programmation informatique (C#, Python) , en électronique (Conditionnement du signal, choix des capteurs) et pour le traitement statistique des données.
Des tutoriels ou capsules vidéo sont tournés, puis hébergés sur la plateforme Moodle. Ces supports vidéo contiennent des informations sur les propriétés des matériaux des capteurs utilisés.

Objectifs pédagogiques
Découvrir et s'approprier les nouvelles technologies (carte de développement Arduino, Bluetooth, Interface Homme-Machine sous Android) tout en caractérisant les propriétés mécaniques des matériaux à sélectionner pour répondre à un cahier des charges comme ils seront amenés à le faire durant les projets tutorés, dans leurs stages industriels ou lorsqu'ils travailleront dans l'Industrie en collaboration avec le bureau d'études, le responsable des achats et les chargés d'affaires.

Modalités de mise en œuvre

Au premier semestre, les étudiants vont compulser (classe inversée) des documents disponibles sur Moodle (pré-requis, guides techniques, documentations, programmes Arduino, capsules vidéo...) ou ceux que je leur fournirai (Fréquence de vibration, Méthodes expérimentales, Normes, Analyse numérique, Traitement du Signal...).
En milieu de semestre, une évaluation rapide avec Plikers afin d'apporter des compléments d'information en cas de lacunes. Etape de remédiation.
Au second semestre, l'utilisation en TP de l'instrument de mesure avec une pédagogie différenciée selon le niveau de compétence et les acquis (boîte noire, simple utilisateur ou boîte ouverte avec possibilité de programmer sa propre application).

En parallèle, les étudiants ont accès via la plateforme Moodle aux notices techniques des composants utilisés, aux câblages électroniques (Fritzing), aux exemples de codes source Arduino, aux Screencasts pour s'initier à la programmation et à la configuration du Bluetooth. Des quizz sont également proposés de façon à s'assurer que les étudiants ont bien pris connaissances des supports.

Renseignements complémentaires
Cet instrument de mesure des vibrations d'une poutre encastrée peut être utilisé pour :

la détermination du module d'Young ou rigidité d'un matériau inconnu,
illustrer le principe de fonctionnement des balances à quartz (variation des fréquences avec la masse),
illustrer les oscillations forcées d'une éolienne soumise à des vents en rafale,
dimensionner un instrument de musique de type xylophone ou métallophone.

Spécificités du projet

Le projet a pour objectif de savoir déterminer expérimentalement une fréquence de vibration afin d'estimer la rigidité et la masse volumique d'une barre de section rectangulaire en tenant compte des phénomènes de propagation des ondes acoustiques. Au final d'être capable de mettre en œuvre une carte Arduino pour le développement d'une application d'électronique embarquée et connectée.
Classe inversée :
Recherche des fréquences propres de vibrations des poutres encastrées et en appui (sur lames ou plaques) pour la détermination du module d'Young de diverses familles de matériaux.
Recherche documentaire sur les capteurs capacitifs de proximité, sur les accéléromètres, et les capteurs piezoélectrique et leurs mises en œuvre.
Détourner l'utilisation première d'une carte RAMPS, normalement utilisée pour la gestion et le contrôle des moteurs pas à pas et la régulation des températures d'une imprimante 3D, pour piloter un instrument de mesure.

Connecter une antenne BlueTooth à un Arduino. Etablir une connection Série pour récupérer les mesures entre l'Arduino et un appareil Android à l'aide de l'outil de développement du MIT, App Inventor.

Exploitation de capacités ou de compétences :

Initiation à la programmation de l'Arduino en C# (continuité du cours d'algorithmique)
Mise en commun des informations trouvées sous forme d'exposés de 3 à 5 minutes de façon à restituer l'information après analyse et synthèse en Travaux Dirigés.

Evaluation par les pairs :
Un étudiant, après les dernières séances de TP posera des questions à plusieurs de ses collègues. Il disposera d'un capital de points à répartir entre chaque étudiant qu'il aura évalué. Une note individuelle ou par groupe sera alors proposée.

Evaluation par l'enseignant :
Des exercices concrets relevants du coeur de métier (dimensionnement d'une éolienne, détermination du module d'Young du cuivre, vitesse de propagation des son) seront proposés aux groupes en fin de séance. Un quizz sur 4 ou 5 questions clefs est envisagé et le dépouillement est réalisé à l'aide de l'application Plickers.
Enquête de satisfaction de l'expérience pédagogique avec VotAR

Créer du lien et motiver par le jeu

LaurentAldon — 2018-07-19T12:33:25Z

En Génie Mécanique et Productique les étudiants sont préparer à apporter des solutions technologiquement acceptables et économiquement viables à des problèmes posés par l'Industrie et répondant à un cahier des charges.
Aujourd'hui les entreprises demandent des techniciens, non seulement préparés aux savoirs-faire du coeur de métier : concevoir, produire et fabriquer, mais elles attendent aussi des compétences transversales comme le travail en équipe, la gestion du temps et d'un budget et l'adaptabilité.
J'ai toujours anticipé les futures évolutions technologiques. Mon activité de Recherche dans le domaine des matériaux pour l'énergie et notamment batteries Li pour les véhicules électriques au sein de l'Institut Charles Gerhardt (équipe A.I.M.E.) et du réseau Européen RS2E m'a permis de développer des compétences en terme de communication, de curiosité et de veille technologique visant à résoudre en équipe des projets ambitieux (NéGéLiA, PhosphaLion) en collaboration avec les sociétés SAFT, UMICORE et le CNES de Toulouse qui a financé les thèse d'Alexis PEREA et d'Alix LADAM dont j'ai été le Directeur.
C'est cette expérience de gestion de projet en équipe que je souhaite transmettre à mes étudiants afin qu'ils puissent être mieux armés pour le rayonnement du Génie Mécanique et Productique en Europe. En effet, certains de nos étudiants poursuivent leur formation en Mécanique des Structures Industrielles (Polytech Montpellier). Cette formation leur permet de d'obtenir l'IWE (International Welding Engeneer, Ingénieur international en soudage). Elle s'effectue en partenariat avec le SNCT, le Syndicat national de la chaudronnerie, tuyauterie & maintenance industrielle. Ce type de formation d'ingénieurs est unique en France et bénéficie du soutien fort de la Région Occitanie, à travers le CFA-LR.

J'ai toujours participé à divers événements comme la Fête de la Science au travers d'animation d'atelier de chimie des matériaux ou de conférences scientifiques (Université du Tiers Temps, Lattes Université pour Tous, Café du Globe à Génolhac, Lycée Mermoz, Ecole Emile Barrès au Crès...) couvrant des thèmes aussi variés que :
– "Les métaux d'hier, d'aujourd'hui et de demain",
– "la Fascinante Histoire des Nombres",
– "Faut-il aller sur Mars ?",
– "L'impression 3D, la troisième révolution industrielle"
– "Serious Games, vous êtes sérieux ?"

Serious Game en TD et Escape Game en TP
Je partage ma curiosité scientifique avec mes étudiants en leur donnant les outils pour parfaire leur propre culture scientifique. J'ai déjà développé pour et avec eux des Serious Games (jeux de cartes et des jeux de plateaux) que je déploie en début de séance en mettant l'accent sur certaines notions de Science des Matériaux.

Ainsi lorsqu'il s'agit de balayer les propriétés des diverses classes de matériaux, j'ai fabriqué un jeu des 7 familles. Ou lorsque j'aborde en cours l'élaboration, la transformation et le recyclage des métaux, le jeu de plateau "Global Metal Prospect" que j'ai conçu pour eux leur permet d'entrevoir la finitude de la ressource minière, l'impact environnemental de l'exploitation minière et sidérurgique, les aspects de spéculations boursières sur les métaux ou les conflits liés à la géostratégie.

Innovation et hacking pédagogique

Depuis 1997, j'ai encadré des projets étudiants à l'IUT de Nîmes. Que ces projets soient menés sur une année complète (projets de 2ème) ou en quelques semaines (mini-projets), j'ai toujours incité mes étudiants à aller jusqu'au bout. En établissant avec eux une relation de confiance, en côte à côte, plutôt que face à face, nous établissons systématiquement le cahier des charges ensembles, que je sois porteur de projet ou non.
Le ou les instruments de mesure que nous développons peuvent également servir à d'autres enseignements (Science et Génie des Matériaux, Génie Electrique et Informatique Industrielle, Mesures Physiques, Département de Chimie de l'IUT de Sète...)

Le projet "7Lab" ou "Cévennes Lab" propose aux étudiants des mini-projets où chaque groupe de TD sera divisé en 7 équipes de 3 ou 4 étudiants. Chaque équipe a connaissance une partie du problème à résoudre, se documente, restitue à la communauté leurs avancées et le groupe entier a finalement l'opportunité de fabriquer, tester et utiliser un instrument de mesure qui est ensuite utilisé en Science des Matériaux.

Ce projet est un nouveau format pour moi puis qu'il s'agit de 3 ou 4 séances de Travaux Dirigés (6 à 8h) étalées sur une période d'un mois ou 1 jour (Hackathon Pédagogique) selon les contraintes de plannification, en concertation avec l'équipe pédagogique, le responsable des emplois du temps et les conseils avisés de notre ingénieur pédagogique.

Nous fonctionnons en 6 ou 7 îlots où chaque équipe de 3 ou 4 étudiants où en séance le travail à faire est :
– recherche d'information (Capsules Vidéo YouTube, Datasheet de composants électroniques, Câblage à la carte Arduino)
– réalisation de montage (maker) , codage informatique (hacker) et benchmark (beta-tester)
– restitution des acquis à l'ensemble du groupe au format "ma thèse en 180s" (distribution de badges ou de points d'expérience XP)
– échange d'information en mode "shaker" : on mélange les étudiants de façon à compléter et complexifier le problème.
– mutualisation des savoirs dans un "blog de groupe"
– fabrication de l'instrument et utilisation en TP

Mini-projet et compétences transversales

Le format "mini-projet" n'a jamais été testé en 8h de présentiel. Si le temps imparti s'avère insuffisant pour la production des attendus, il est tout à fait envisageable mettre les binômes en "concurrence", les initiant ainsi à la gestion du stress, le premier groupe qui a une solution viable, aide le second favorisant ainsi l'entraide et la bienveillance.
Les étudiants qui connaissent la technologie Arduino jouent le rôle de "tuteur" en séance, obtenant des points de bonus pour leur implication et facilitant la recherche de solution.
Pour augmenter l'implication de tous les étudiants, l'évaluation par les pairs est une solution que je pratique en TP lorsque j'ai un doute sur la réelle participation d'un étudiant.

Enfin, pour mettre un peu de challenge, sur l'ensemble de la promo (120 étudiants environ) un défi entre les groupe de TD est envisagé avec un système de récompense (Trophée du meilleur design, de la solution technique la plus séduisante, du code informatique le moins gourmand en mémoire...)

En IUT, le Diplôme initial est professionnalisant et nos étudiants qui entrent dans l'industrie auront besoin pour être plus efficaces au quotidien d'avoir été initiés très tôt à des techniques innovantes afin qu'ils puissent avoir le temps de les mettre en oeuvre et être pleinement opérationnel. Je pense que la pédagogie active de nos étudiants qui continuerons en Licence Professionnelle ou en Apprentissage (Polytech MSI) seront plus actifs sur le terrain.
La nouveauté de la méthode pédagogique suscite chez eux une motivation qui les valorisent et les mettent sur le devant de la scène. L'enseignant est là pour l'accompagner et le guider dans ses choix.
Le projet "7Lab" permet le décloisonnement des disciplines et met en jeu des notions d'électronique, d'électricité, d'expression, d'anglais, de science des matériaux, de dimensionnement tout en mobilisant des compétences comme le travail en équipe, la gestion du temps et la persévérance.