| RÉSUMÉ |
| Activité pour les secondes dans le cadre du thème 2 : « les enjeux contemporains de la planète – Vers une gestion durable des agrosystèmes ». Démarche expérimentale visant à rechercher et tester des solutions permettant de limiter la consommation d’eau pour l’arrosage des cultures. |
Mesurer l’humidité et la température du sol avec un capteur d’humidité et une carte Arduino
Fabrication de modules éducatifs pour Arduino – TraAMs 2023/2024
Par Fabrice Mourau
Afin de faciliter la manipulation des cartes Arduino en classe, il est préférable de travailler sur des bancs d’expérimentation sur lesquels on aura fixé les composants de base à tout montage : la carte Arduino UNO, un écran LCD et une breadboard.
Figure 1 : montage expérimental réalisé en classe afin de mesurer les émanations de COV émises par différentes fournitures scolaires.
Matériel nécessaire :
L’achat de matériel peut se faire par les fournisseurs « classique » de matériel électronique pour les établissements scolaires. Hors-capteurs, le coût s’élève à 45 euros environ par banc. En passant par les fournisseurs de discount asiatiques, on peut facilement réduire le coût de revient par 2 mais il faudra trouver une astuce pour réaliser la commande en ligne (établissement qui ont une CB, FSE…).
Liste d’achat :
La liste de matériel ci-dessous permet de monter les bancs Modul’éduc mais ne comprend pas le prix des capteurs.
Matériel à acheter pour chaque banc
- Carte Arduino UNO (13-25€)
- Ecran LCD (2-8,5€)
- Breadboard Tiny (0,8-4,4€)
- Petite boite plastique (2€)
- Planchette Medium (0,5€)
Pour l’ensemble des bancs:
- prévoir 2 packs de connecteurs Dupont (mâle-mâle et mâle-femelle) – (6-20€)
- kit d’entretoises plastique M3 pour tout fixer sur la planche (10€)
Capteurs :
Le prix d’un capteur dépend de ce qu’il mesure et de sa précision. En général, plus un capteur est cher et plus il est précis mais heureusement l’expérimentation en classe ne nécessite pas toujours une grande précision, tout dépend de ce qui est mesuré.
Montage des bancs Modul’éduc
Ces bancs s’inspirent des modules pédagogiques pour mesurer la qualité de l’air en classe distribués par AirCarto. Ils sont constitués d’une planchette de médium au format A5 et de 6 mm d’épaisseur sur laquelle on aura fixé une carte Arduino UNO, une breadbord au format tiny, un écran lcd 16X2 caractères (avec module de communication I2C) et une petite boite hermétique trouvée en magasin discount. Les composant peuvent être collés à la colle chaude ou mieux être fixés par des entretoises plastiques au format M3.
On place les composants à la surface de la planchette et on marque au feutre l’emplacement des trous à réaliser. On perce à l’aide d’une mini-perceuse avec un forêt de 3mm, puis on fraise l’envers de chaque trou pour pouvoir insérer les têtes de vis.
Si le temps de fabrication des modules peut sembler long, il vous fera gagner énormément de temps dans la gestion et l’utilisation de vos cartes Arduino. Les boites en plastique servent à stocker le matériel et les capteurs. Le contenu de chaque boite est contrôlé par l’enseignant avant le TP et l’attribution d’un kit numéroté à un groupe identifié permet d’assurer la traçabilité du matériel prêté aux élèves.
Figure 2 : Un banc d’expérimentation Arduino Modul’éduc. les éléments sont placés suffisamment proches les uns des autres pour pouvoir facilement les relier entre-eux à l’aide de connecteurs Dupont.
Alimentation électrique
Les modules peuvent-être alimentés par le port USB, le connecteur rond avec un module à pile. La solution la plus simple est de connecter le montage à un port USB d’ordinateur en salle informatique. cette solution permettra aussi de programmer la carte. En salle non informatisée, des transformateurs au format « chargeur de téléphone » permettront sans problème d’alimenter les montages. L’enseignant devra cependant veiller à programmer par avance chaque carte Arduino.
Figure 3 : Différentes possibilités d’alimentation électrique du module.
Certains modules peuvent être spécialisés en préfixant sur eux des capteurs plus volumineux comme les SDS011 (mesure des particules fines en suspension dans l’air) ou en intégrant les modules de mesure des gaz directement à la boite en plastique qui servira donc d’enceinte).
Figure 4 : un capteur de dioxyde de carbone a été intégré au fond de la boite plastique du Modul’éduc pour l’utiliser comme enceinte respiratoire avec les élèves de cycle 4 qui placent des Ténébrions meuniers dans l’enceinte.
Programmer une carte Arduino – TraAMs 2023/2024
Par Fabrice Mourau
Figure 1 : En 2020, les élèves du collège Pierre de Coubertin écrivent le code d’affichage du logo EduMed qui s’affichera au démarrage de tous les Edushields et Modul’éducs.
La programmation des cartes Arduino se fait par l’intermédiaire d’un logiciel gratuit disponible sur la plateforme Arduino : l’IDE ou environnement de développement intégré. Il est disponible au au téléchargement sur cette page : Cliquer ici
Figure 2 : Télécharger la version du logiciel qui correspond à votre système d’exploitation
Au moment où cet article est rédigé, c’est la version 2.3.2 du logiciel qui est disponible. Elle remplace la version 1.3.2 qui est souvent installée dans les collèges et lycée de l’académie de Nice (dans les collèges du Var, dans les applications de technologie sur le réseau pédagogique). Si l’affichage a été modernisé entre les 2 versions, l’ergonomie et les fonctions restent les mêmes et ce tutoriel sera réalisé à partir de la version la plus récente. Je laisse ici un ancien support réalisé dans le cadre d’une formation qui explique comment fabriquer un thermomètre en utilisant l’ancienne itération du logiciel IDE : télécharger ici.
Etape 1 : paramétrer le logiciel
Après avoir installé l’IDE Arduino, il faut connecter la carte à l’ordinateur avec la prise USB, puis lancer le logiciel.
Le logiciel va proposer des mises à jour des bibliothèques, il faut systématiquement refuser jusqu’à ce que vous soyez devenu suffisamment expert pour les gérer.
en premier (figure 2), il faut passer le logiciel en français, puis dans le menu outil choisir le type de carte (figure 3) et le port utilisé (figure 4). Enfin, on sélectionne la carte reconnue dans le menu déroulant au dessus de la fenêtre de texte (figure 5).
Figure 2 : Pour paramétrer l’IDE en Français, aller dans le menu Fichier(1), puis préférences changez la langue pour Français (2). Pour vidéoprojeter en classe l’IDE, changez l’échelle d’affichage (3), la taille de police par défaut est bien trop petite?
Figure 3 : Dans le menu outil, on choisit la carte Arduino Uno..
Figure 4 : … et le port sur lequel on a branché la carte.
Figure 5 : enfin on choisit la carte dans la liste et on est prêt à travailler !
Etape 2 : ouvrir un fichier .ino et installer les bibliothèques
Dans cet exemple, nous allons télécharger puis ouvrir le fichier nommé qui permet de réaliser la première activité de Météo des école, il est nommé code_DS18B20_moduleduc.zip et on le télécharge en cliquant ici.
Il faut déziper le fichier, l’ouvrir avec l’IDE Arduino et l’enregistrer dans vos documents. Le logiciel va vous demander automatiquement de créer un répertoire dans lequel sera placé votre fichier ino
Une fois ouvert, le code de programmation en langage C va s’ouvrir dans la fenêtre éditeur de texte de l’IDE (Figure 6).
Figure 6 : On voit que plusieurs bibliothèques sont nécessaires pour l’exécution du programme.
Les bibliothèques sont des bouts de programme rédigées spécifiquement pour contrôler certaines fonctions et composants. Certains vont permettre de programmer facilement les capteurs (ex: <DallasTemperature.h> gère le capteur de température) et d’autres les protocoles de communication.
De nombreux développeurs informatiques écrivent d’encore plus nombreuses bibliothèques qui ne sont pas forcément compatibles les unes avec les autres. La mise à jour des bibliothèques constitue la principale source de bug des programmes Arduino. Nous fournirons avec chaque programme les bibliothèques nécessaires pour son bon fonctionnement et il ne faudra installer qu’elles.
La bibliothèque Wire est déjà intégrée à l’IDE, elle permet de communiquer sur l e bus I2C qui dans notre exemple contrôle l’écran LCD. L’installer n’est pas nécessaire. Par contre il faut télécharger ces 3 bibliothèques qui gèrent :
Une fois téléchargées, les bibliothèques doivent être installées dans le logiciel IDE. Dans le menu croquis, on séléctionne « Importer une bibliothèque », puis ‘Ajouter la bibliothèque .ZIP… » (Figures 7 et 8)
Figure 7 : On va chercher les bibliothèques téléchargées au format compressé .zip dans le dossier de téléchargement de l’ordinateur et on clique sur ouvrir.
L’IDE va automatiquement décompresser les fichiers et les installer dans le répertoire Documents/Arduino/libraries (librairies = bibliothèque en anglais). Cela fonctionne donc aussi pour les élèves qui ont les droits d’accès en écriture sur le répertoire « Documents » dans leur espace sur le réseau pédagogique.
Etape 3 : Téléverser le programme dans la carte Arduino
Figure 7 : Dans un premier temps, nous allons vérifier la validité du programme, pour cela, il faut compiler le programme (1) et vérifier qu’aucun message d’erreur ne s’affiche dans la console (2). Enfin, téléverser le programme dans la carte (3).
Une fois le programme télévisé dans la carte, il est mémorisé dans le microcontrôleur et la carte peut-être débranchée. Ainsi, un enseignant peut préparer les cartes de ses élèves qui n’auront dans un premier qu’à faire le montage et réaliser l’activité.
Nous verrons plus loin que les élèves de cycle 4 pourront modifier certains paramètres du programme et commencer à entrer dans les étapes de codage.
Mesurer les variations de température dans l’eau d’une mare pédagogique avec un capteur de température et une carte Arduino -TraAMs 2023/2024
| RÉSUMÉ |
| Dans le cadre du projet expérimental et numérique mené par les élèves de première enseignement scientifique , il est suggéré l’utilisation de capteurs associés à un microcontrôleur.
Un groupe d’élèves du lycée international de Valbonne a travaillé sur les paramètres physico-chimiques de la mare pédagogique du CIV et notamment sur les variations de température de l’eau à l’aide d’un capteur de température et d’un microcontrôleur Arduino. |
Une application pour simuler la cinétique de l’hydrolyse de l’amidon
par Fabrice PELLEGRIN
Le logiciel « Hydrolyse de l’amidon », écrit en HTML5, est utilisable sur tous les supports.
Il permet de simuler la réalisation d’expériences sur la catalyse enzymatique et chimique de l’amidon en faisant varier les conditions de pH et de température.
De nouveaux modèles de tomographie sismique dans Tectoglob3D
par Philippe Cosentino
La tomographie sismique permet, à partir des écarts de vitesse de propagation des ondes sismiques, de mettre en évidence la présence d’anomalies thermiques dans le manteau.
Depuis mars 2024, Tectoglob3D propose un nouveau modèle de tomographie qui donne des résultats exploitables aussi bien dans des contextes de convergence et de divergence.
Cet article fait le point sur ces modèles, et leur intégration dans Tectoglob3D.
Météo des écoles (partie II) : le thermomètre – TraAMs 2023/2024
par Fabrice Mourau
| RÉSUMÉ |
| A l’aide d’une carte Arduino, les élèves assemblent un instrument de mesure de la température de l’air dans la salle de classe. Les valeurs mesurées permettront de mener une réflexion sur l’importance du protocole d’implantation de la station météo et sur la notion de précision de la mesure expérimentale. Cette activité s’inscrit dans l’enseignement de sciences au cycle 3 et vise à développer l’esprit critique de l’élève vis-à-vis des résultats de mesures expérimentales. Le séance peut-être utilisée en préambule à un enseignement portant sur les métadonnées.
Figure 1 : Ces élèves de cycle 3 ont construit leur premier instrument de mesure et lisent la température affichée, Cliché : F. Mourau (avril 2024)
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| PLACE DE L’ACTIVITÉ | |
| Niveau concerné | Cycle 3 (CM2/6ème) |
| Place dans le programme |
La Terre, une planète peuplée par des êtres vivants Partie : La Terre, une planète singulière et active |
| Place dans la démarche / séquence | Après avoir découvert les instruments de la station météorologique, les élèves sont ici amenés à comprendre comment fonctionne un instrument de mesure. La découverte des biais instrumentaux leur permettra d’acquérir une approche plus éclairée de la mesure expérimentale. |
| Mots-clés | Sciences, météorologie, station météo, TraAMs |
| OBJECTIFS PÉDAGOGIQUES | |
| Attendus de fin de cycle /Notions fondamentales mobilisées | Associer des solutions technologiques à des fonctions techniques.
Décrire les conditions de la vie terrestre. |
| Compétences travaillées ( en lien avec socle collège- celles des préambules des programmes en lycée) | .
Identifier les sous-ensembles constituant un Réaliser et exploiter des mesures |
| Compétence du cadre de référence des compétences numériques
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Traiter les données |
| MODALITÉS | |
| Durée indicative | 2 séances |
| Matériel nécessaire | En classe entière, les élèves travaillent par groupe de 2 à 3 élèves. En 1/2 groupe, ils peuvent travailler seuls. On distribue par groupe/élève un Modul’éduc portant une carte Arduino, un écran LCD, une breadboard.( Cliquer ici pour plus de détail sur Modul’éduc ),des connecteurs au format Dupont et un capteur DS18B20 monté avec un circuit imprimé (figure 2). On le trouve dans le commerce à des prix allant de 3,5 à 7€ en fonction du fournisseur.
Figure 2 : le capteur de température DS18B20 est ici monté sur un petit circuit imprimé qui intègre une résistance de tirage. On peut trouver des DS18B20 moins chers car vendus seuls ou en version étanche. Leur utilisation nécessitera cependant la création d’un circuit plus complexe pour les élèves sur la breadboard et impliquant une résistance de 4,7 kΩ. Pour gagner du temps et ne pas compliquer la séance, nous avons donc fait le choix du modèle présenté sur la figure 2. |
| Prérequis | Pour l’enseignant : préparer le nombre suffisant de Modul’éducs et de capteurs DS18B20. La liste du matériel à ranger dans la boite de chaque module est présente sur le guide de montage qui devra être imprimé en couleur et distribué aux élèves. Nous recommandons de le plastifier et de la récupérer à la fin de chaque séance.
Télécharger le guide de montage Chaque carte Arduino devra au préalable été programmée à partir du code téléchargeable ici et de ces 3 bibliothèques qui gèrent : Pour plus d’information sur le téléversement d’un programme dans la carte Arduino, cliquer ici |
| DESCRIPTION DU SCÉNARIO / ACTIVITÉ
Après une rapide remobilisation des acquis sur les instruments d’une station météorologique (cf. Météo des écoles – partie I : la station météorologique mesure les paramètres physiques de la troposphère), on annonce aux élèves que nous allons travailler un un instrument de mesure de la température. En classe entière, les élèves travaillent par groupe de 3 maximum. On distribue un Modul’éduc par groupe avec la fiche d’activité. Les élèves sont amenés en premier à travailler sur le capteur DS18B20 : quelle est sa fonction et quelle est sa précision. (Pour expliquer la précision du capteur aux élèves du premier degré, on peut faire une analogie avec le tir à l’arc sur une cible : le capteur « vise » la vraie valeur de température au centre de la cible mais peut s’en écarte de jusqu’à 0,5°C).
Figure 3 : Représenter la précision d’un capteur pour les élèves de cycle 3. On distribue ensuite la fiche de montage aux élèves, puis on les accompagne étape par étape pour réaliser le montage en commençant par l’inventaire des connecteurs rangés dans la boite. L’enseignant vérifie les montages puis autorise les groupes à alimenter leur thermomètre en connectant la prise au port USB d’un ordinateur ou d’un chargeur USB quelconque. Une fois tous les thermomètres branchés et fonctionnels, on relève les températures mesurées groupe par groupe, puis on les note dans un tableau. Les élèves sont amenés à formuler deux hypothèses pour expliquer les différences observées. Les réponses attendues sont relatives à : (1) l’implantation du capteur dans la salle et/ou la manipulation du composant avec les mains –> cause environnementale (2) la précision du DS18B20 qui est de 0,5°C –> prise en compte de la précision de l’instrument Enfin, on propose aux élèves de réfléchir à un extrait du document Météo France qui norme l’implantation des stations météorologiques (Document complet téléchargeable ici). Les attendus sont que les mesures environnementales sont par nature inexactes, leur précision dépend à la fois des biais d’instrumentation et des capacités de l’instrument utilisé.
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| GESTES TECHNIQUES ET EXEMPLES DE RÉSULTATS OBTENUS
– Réussir le montage électronique
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PISTES D’ÉVALUATION
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| CONCLUSION – OUVERTURE – ESPRIT CRITIQUE
Même s’il rencontre un grand intérêt curriculaire pour les parties technologie et physique, l’objectif principal visé par cette activité dans le cadre de l’enseignement des sciences et technologie est la découverte des biais expérimentaux. Nous espérons qu’elle permettra chez l’élève le développement d’un esprit plus critique vis-à-vis des données numériques affichées ou trouvées en ligne. La dernière partie est une ouverture vers l’enseignement des métadonnées. Si l’établissement appartient à un réseau « OSU éducatif » comme l’observatoire EduMed ou Météo à l’école, la dernière question pousse les élèves à réfléchir sur l’implantation de leur station météorologique et donc de la fiabilité relative des valeurs mesurée et exploitées en ligne. Peut-être que la rédaction d’une notice de métadonnées pour chaque instrument par les élèves qui serait ensuite mise à disposition sur les sites serait une plus-value pertinente à la fois pédagogique pour ceux qui auraient à les rédiger et pour tous les utilisateurs des réseaux… |
| LIENS |
| Données et métadonnées [TraAMs] (par Philippe Cosentino) |
Fabriquer un multicapteur thermique pour un peu plus d’une vingtaine d’euros – TraAMs 2023/2024
Au cours de nos TP, nous utilisons assez régulièrement des thermomètres. Ils peuvent être classiques (au mercure), à sonde étanche, sous forme de capteur ExAO… Les plus couramment utilisés coutent en moyenne 50€ et ne permettent de recueillir qu’une température à la fois.
Le but ici est de vous donner les outils pour fabriquer un capteur, portant 4 sondes thermiques pour relever 4 températures en même temps. Ces données s’affichent en temps réels sur un petit écran Oled et le tout pour 23€ de matériel environ.
Pour cela il vous faut :
- Un Wemos D1 Mini (ESP32 : c’est un micro-contrôleur comme un Arduino, qui se programme d’ailleurs avec ce logiciel). Le programme se trouve dans les documents annexes.
- Un circuit imprimé, spécialement conçu pour cela, dont le fichier Gerber est en documentation annexe. Ce fichier vous permettra d’en commander la fabrication en série pour quelques euros, via des plateforme en ligne comme JLCPSB par exemple.
- Des sondes DS18B20 (4 par appareil)
- Des résistances de 4,7 Kohms (une par appareil)
- Des écrans Oled de 128×64 I2C (un par appareil)
- Des triples borniers (un par appareil, plus simple et plus solide que de souder individuellement les sondes DS18B20)
- Un boitier imprimé en 3D (vous trouverez les fichiers dans les documents annexes).
- Optionnel : un écrou M4 à insérer à chaud dans la partie inférieure du boitier.
- Optionnel : une ventouse avec vis M4 à visser sous le boitier pour une plus sandre stabilité sur paillasse de travail.
A noter que les sondes DS18B20 sont vendues pour être étanches, vous pourrez donc relever les températures de milieux aériens et hydriques en même temps.
Cet appareil peut se montrer utile dans des modélisations sur le climat, l’effet de serre ou encore la convection/convection. Bien sûr, cela ne vous empêchera pas de critiquer toute forme de modélisation avec vos élèves, comme il se doit.
Enfin, le code de cet appareil est sous doute amené à évoluer un peu dans le temps. J’adorerais par exemple le rendre compatible avec le logiciel RISC par exemple, téléchargeable sur le site d’EduMed.
N’hésitez d’ailleurs pas fabriquer les autres capteurs proposés par cette plateforme, qui sont à la fois simples et très fonctionnels !
Utilisation des cartes à microcontrôleur en SVT – TraAMs 2023/2024
Par Fabrice Mourau
Résumé : Petits frères des microprocesseurs, les microcontrôleurs sont des circuits intégrés qui intègrent les principales fonctions d’un ordinateur (calcul, mémoire, interfaces) mais avec des capacités réduites. Leur intérêt réside dans (1) leur faible coût, (2) leur consommation électrique réduite qui en font les candidats idéals dans la conception de systèmes embarqués. Cet article est destiné à expliquer ce que sont les cartes à microcontrôleur, comment elles fonctionnent et quelles plus-values elles apportent dans le cadre de l’enseignement des SVT. Nous nous appuierons sur des exemples concrets issus de pratiques de classe et pour lesquels nous fournirons à la fois des exemples d’activités et les tutoriels pour concevoir les instruments. Lire la suite
