Organisation Pedagogie TP (1)

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007

The

Mat

hWor

ks, I

nc.

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Organisation de la pédagogie autour des Travaux Pratiques

The MathWorks S.A.S. - France –

Claude BERGMANN & Norbert PERROT

Inspection Générale Education Nationale

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Deux Témoignages :Évolutions pédagogiques vers un

enseignement articulé autour de TP

Un enseignant ATS

Génie Mécanique

VINCENT BOYER

Lycée La Fayette

Champagne-sur-seine

Une enseignante ATS

Génie Electrique

CHRISTEL IZAC

Lycée Jules Ferry

Versailles

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Plan de la présentation

1. Premières réflexions pour répondre à la nouvelle stratégie pédagogique

2. Exemple de définition de Centres d’Intérêt

Réunion inter académiques (Paris, Créteil, Versailles, Amiens)

3. Proposition de progression pédagogique sur une année s’appuyant sur les CI

4. Mise en place des premiers TP

5. Corrélation entre matériel et centres d’intérêt

Equipement des laboratoires

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a) Parcours de Vincent Boyer

Stage IUFM :- sensibilisation à la pédagogie inductive construite autour des systèmes

- organisation de cycles de TP par centres d’intérêt en classe de seconde ISI

Enseignement en École d’Ingénieur :- observation des difficultés de certains étudiants à avoir une approche

globale des problèmes complexes lors des projets de fin d’année

Enseignement en classes de PSI et ATS :- adaptation de l’enseignement en ATS, à celui de PSI construit autour des

systèmes et de TP par CI


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a) Parcours de Vincent BoyerComment adapter la pédagogie utilisée en PSI, à celle demandée

pour la classe ATS ?

Quels systèmes choisir ?Quels CI utiliser?

- Laboratoire CPGE

- Laboratoire S SI

- Laboratoire BTS

- Existent en PCSI/PSI

- Séminaire PTSI/PT

- Rénovation filière TSI

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Mars 2006 : lors d’une inspection, il m’est demandé de revoir mes stratégies pédagogiques et de centrer mon enseignement sur l’activité de TP.

Incompréhension et Panique

PREMIERS RESSENTIS

b) Parcours de Christel Izac


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PREMIERES QUESTIONS

1) Qu’est-ce qu’un TP en ATS ?

2) Qu’est-ce que cela va apporter de plus à mes étudiants titulaires de BTS ou de DUT ?

3) Comment réussir à couvrir le programme dans sa totalité, en consacrant 1h30 par semaine à des TP ?

4) Et la prise en compte dans les concours ?

Questions évoquées lors de la première réunion inter- académiques Île de France (Paris, Créteil, Versailles, Amiens) en juin 2006 et lors de la journée du 4 juillet 2006 au lycée Chaptal avec l’Inspection Générale.



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LES DIFFICULTES

SEULE ENSEIGNANTE de Génie Electrique dans le laboratoire réservé aux classes préparatoires

LABORATOIRE de classes préparatoires avec du matériel didactisé pour la section PSI



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MA DEMARCHE LIRE le programme de la section TSI de septembre 2005

ASSISTER au séminaire TSI (mars 2006)

VISITER les laboratoires des sections TSI et Terminales SSI

ASSISTER à des séances de travaux pratiques dans ces 2 sections

ETUDIER la documentation et COMPRENDRE le fonctionnement de mon PREMIER SYSTEME (pilote hydraulique de bateau)

LIRE les listes de centres d’intérêt définis dans les sections PSI et PT



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LES CENTRES D’INTERÊT

Réflexion avec Vincent Boyer

Deuxième réunion Inter Académique Île de France (Paris Créteil, Versailles, Amiens) pour définir un exemple de document décrivant les CI basés sur le programme ATS



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2. Exemple de liste de Centres d’intérêt pour la section ATS

Un centre d’intérêt est un fil conducteur pour un ensemble structuré d’activités (TP, cours, TD) visant des objectifs clairement identifiés (une compétence générale ou une problématique).

Il donne du sens aux apprentissages sur une période donnée. Il résulte de :

- l’analyse des compétences et des savoirs associés décrits dans le programme.

- de l’expérience de l’enseignant et de sa compétence en didactique qui lui permettent d’identifier les points clés du programme.

a) Qu’est-ce qu’un centre d’intérêt ?

Les CI peuvent varier d’une équipe pédagogique à l’autre

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On dispose d’un laboratoire de Sciences Industrielles commun.

Les séances de travaux pratiques sont donc encadrées simultanément par les deux enseignants pouvant intervenir auprès de chaque étudiant.

b) Organisation :

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Chaîne d’Information

ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER

ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE

Informations

issues d’autres systèmes et d’interfaces H/M

A

C

T

I

O

N

Énergie disponible

Chaîne d’Énergie

Informations

Destinées aux autres systèmes et aux interfaces H/M

ordres

Matière d’oeuvre Sortante

Matière d’oeuvre Entrante

Grandeurs physiques à acquérirc) Structure d’un système :


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CI CI 1 : Chaînes fonctionnelles CI 2 : Étude Globale des systèmes

Savoirs

Structure générale des systèmes (chaînes d'énergie et d'information, flux d’énergie)

Analyse fonctionnelle (schémas fonctionnels, SADT, FAST)

Systèmes linéaires continus invariants (schémas blocs, stabilité, précision, rapidité, correction), représentation temporelle et fréquentielle

Démarche d'analyse

Outils de la communication technique (lire des documents techniques de type schémas et dessins)

Com

péte

nces

Identifier et caractériser les fonctions assurées par le système et identifier les structures qui les réalisent;

Décrire avec un vocabulaire adéquat les entrées et les sorties.

Donner le modèle de connaissance et de comportement d’ un système.

Régler les paramètres d’un correcteur pour obtenir un asservissement avec des performances données

Utiliser un logiciel de simulation (DID’ACSYDE …)

Lire un plan d’ensemble

Lire des documents techniques de type schémas et dessins

Utiliser la documentation industrielle

Décrire le fonctionnement

Vérifier les performances globales et le comportement de certains constituants


d) Exemple de centres d’intérêt :

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CI CI 3 : Acquisition et conditionnement des informations

CI 4 : Logiques combinatoire et séquentielle

Savoirs

Étude des capteurs

Conversion A/N et N/A

Filtrage analogique

Amplification

Logique combinatoire

Logique séquentielle

GRAFCET

Com

péte

nces

Régler les paramètres d’une cellule de filtrage ou d’amplification, d’un montage astable, en fonction d’un cahier des charges.

Utiliser un logiciel de simulation (PSpice, ..)

Réaliser des montages en logique combinatoire ou séquentielle.

Etablir le GRAFCET d’une fonction simple d’un système industriel.



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CI CI 5 : Motorisation et conversion d'énergie

CI 6 : Chaînes de solides indéformables

Savoirs

Structure et Fonctionnement d'une Machine à Courant Continu

Convertisseurs statiques associés (pont PD2,

pont tout thyristors, hacheurs)

Structure et fonctionnement d'une machine asynchrone

Variateur de vitesse en U/f constant

Modélisation cinématique des systèmes (graphes des liaisons, schéma cinématique)

Torseur cinématique

Liaisons usuelles, profils conjugués.

Indice de mobilité, degré d'hyperstaticité

Com

péte

nces

Choisir le type de convertisseur statique pour la commande d’une machine à courant continu en fonction de l’application.

Analyser une solution constructive

Classer les mécanismes (2D/3D, chaînes ouvertes, chaînes fermées)

Identifier les paramètres d'entrées et les paramètres de sortie

Utiliser les fermetures de chaîne pour lier ces paramètres

Quantifier le comportement cinématique

Déterminer et mettre en œuvre une méthode de résolution d’un problème de cinématique



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CI CI 7 : Actions mécaniques CI 8 : Dynamique, puissance et énergies

Savoirs

Modélisation des actions mécaniques (liaisons usuelles, graphe de structure, bilan des actions mécaniques, torseur d'action mécanique)

PFS

Lois de Coulomb (frottement, adhérence)

Cinétique et dynamique des solides en translation et des solides en rotation d'un axe fixe.

Torseur dynamique, énergie cinétique

Puissance des efforts extérieurs et intérieurs à un système de solides indéformables

PFD et théorème de l'énergie cinétique

Puissance électrique

Rendement

Réversibilité

Quadrants de fonctionnement

Com

péte

nces

Associer à une liaison le torseur d’action mécanique correspondant

Construire les schémas d’architecture

Déterminer et mettre en œuvre une méthode de résolution d’un problème de statique

Pour un mécanisme donné, déterminer les efforts et les mouvements mis en jeu

Établir les relations entre les actions mécaniques et les mouvements qu’elles provoquent

Déterminer et mettre en œuvre une méthode de résolution d’un problème de dynamique ou d’énergétique

Savoir mesurer une puissance et un rendement , localiser et quantifier les pertes .

Définir les quadrants de fonctionnement du moteur d’un système



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CI CI 9 : Solutions technologiques, matériaux, fabrication

Savoirs

Étude de liaisons, lubrification et étanchéité

Cotation relative aux conditions fonctionnelles

Matériaux et procédés élémentaires de fabrication, relation produit – matériau - procédé

Com

péte

nces

Produire une solution répondant à un besoin donné

A partir d'une solution donnée, imaginer d'autres solutions

Modifier une solution existante



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Chaîne d’Information

ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER

ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE

Informations

issues d’autres systèmes et d’interfaces H/M

A

C

T

I

O

N

Énergie disponible

Chaîne d’Énergie

Informations

Destinées aux autres systèmes et aux interfaces H/M

ordres

Matière d’oeuvre Sortante

Matière d’oeuvre Entrante

Grandeurs physiques à acquérird) Exemple :


CI1

CI2

CI8

CI7

CI9

CI3

CI4

CI5 CI6

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- A partir d’1 ou 2 Centres d’Intérêt - Durée d’un cycle de 2 à 4 semaines - Fin de chaque cycle par une séance de synthèse

Contraintes : Le programme ATS

Le matériel disponible

Le temps (1h30 par séance)

Conception d’un cycle de TP

3. Proposition de progression sur une année en utilisant les CI

a) Comment organiser un cycle de TP ?

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La séance de synthèse :

Recenser et structurer les connaissances acquises en TP Généraliser les compétences acquises en TP à la résolution

de problèmes industriels complexes

Permet de :

Utilisation de diaporamas Structuration des savoirs sur support papier Présentation de méthodes ou de résultats par les étudiants Possibilité de changer de système pour chaque point

abordé

Moyens utilisables :


a) Comment organiser un cycle de TP ?

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Découpage en 4 périodes :

* Rentrée Vacances de Toussaint

* Vacances de Toussaint Vacances de Noël

* Vacances de Noël Vacances de Février

* Vacances de Février Vacances de Pâques


b) Proposition de « macro progression » annuelle :

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TP Cours, TD, élec. Cours , TD, méca.

CI 1 et 2:Chaînes fonctionnelles,

étude globale des systèmes



Constituants chaînes énergie et information,

Schéma blocs

Introduction à l’analyse des mécanismes

CI 1et 2:Chaînes fonctionnelles




Systèmes linéaires continus invariants

Cinématique du solide, modélisation des

mouvements d’un solide

Synthèse CI1 Synthèse modèle de connaissance et

schémas bloc


Cinématique du solide

modélisation des mouvements d’un solide

CI 6: Chaînes de solides

indéformables

CI 1 :Chaînes fonctionnelles

(asservissements)


Cinématique du solide

Dont compléments


indéformables


(asservissements)

Systèmes asservis Modélisation des liaisons entre solides


indéformables


(asservissement)

Systèmes asservis Modélisation des liaisons entre solides

Dont compléments


indéformables


(asservissements)

Machine à courant continu Modélisation des actions mécaniques



Rentrée

Toussaint

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Synthèse CI 6 Synthèse: Modèle de comportement et performances d’un

SA

Machine à courant continu Modélisation des AM

CI 8 : Dynamique puissance et

énergie

CI 5 : Motorisation et conversion

d’énergie

(hacheurs)

Présentation des convertisseurs statiques et

des interrupteurs

Modélisation des AM

Dont compléments


énergie


d’énergie

(hacheurs)

Interrupteurs et pertes Statique


énergie


d’énergie

(hacheurs)

Redressement non commandé

Méthodes de résolution, isostatisme (compléments)


énergie


d’énergie

(hacheurs)

Redressement non commandé

Dynamique

Synthèse CI 8 Synthèse CI 5

(hacheurs)

Redressement commandé Dynamique


Toussaint

Noël


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CI 7: Actions mécaniques

CI 3: Acquisition et conditionnement du

signal

Transformateur parfait Dynamique


CI 3: Acquisition et conditionnement du signal

Amplificateurs opérationnels

DynamiqueDont compléments



signal

Amplificateurs opérationnels

Dynamique

Dont compléments



signal

Filtrage Énergétique

Synthèse CI7 Synthèse C3 Filtrage Énergétique

Dont compléments

CI 9: Solutions technologiques,

matériaux, fabrication

CI 4: Logique combinatoire et

séquentielle

Logique combinatoire Construction mécanique


Hiver

Noël


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CI 9: Solutions technologiques


séquentielle

Logique séquentielle Construction mécanique

CI 9: Solutions technologiques


séquentielle

Logique séquentielle Construction mécanique

Dont compléments

Synthèse CI9 Synthèse CI 4 Système triphasé équilibré Construction mécanique

Dont compléments

Compléments Compléments Machine asynchrone Fabrication, matériaux

Dont compléments

Compléments Compléments Machine asynchrone Fabrication, obtention des bruts

Dont compléments

Compléments Compléments Commande en U/f const Fabrication, obtention des bruts

Dont compléments


Hiver

Pâques


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Que veut-on faire ?

Définition du problème technique

Comment résoudre ce problème ?

Apport de cours ou utilisation de connaissances établies en cours

Analyse de la solution constructive pour un système non évolutif

Modification d’une solution pour un système évolutif

Critiques, propositions d’améliorations

a) Questions posées lors de l’écriture d’un TP sur un CI défini :

4. Mise en place de premiers TP

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Que veut-on faire ? un asservissement de position avec une erreur

statique nulle


utilisation du cours sur les systèmes asservis

Recherche du correcteur adéquat


a) Questions posées lors de l’écriture d’un TP (exemple 1)


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Que veut-on faire ? commander par un convertisseur statique une machine à

courant continu en vue d’un asservissement


simulation du fonctionnement des hacheurs série et 4 quadrants

Etude de la solution constructive, mesures sur système (tensions, courants, rendement)


a) Questions posées lors de l’écriture d’un TP (exemple 2)


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Sur un cycle de TP :

Dans la mesure du possible, on essaie d’avoir un texte commun à tous les supports.

Avantage: l’étudiant oublie le support et conceptualise mieux le CI sur lequel il travaille.

Difficulté rencontrée: nécessité d’une certaine autonomie de l’étudiant.


a) Questions posées lors de l’écriture d’un TP

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Même texte de TP pour plusieurs systèmes

Problème technique posé Centre d’intérêt :

Identifier les fonctions du systèmes et celles des

composants qui le constituent

Centre d’intérêt 1 : Chaînes fonctionnelles

Connaissances nouvelles Pré requis

Analyse fonctionnelle externe: IntéracteursAnalyse fonctionnelle interne: SADT, FAST, schéma fonctionnel, schéma bloc

Introduction à l’analyse des systèmes

Compétences nouvelles Logiciels et supports complémentaires

Identifier et caractériser les fonctions assurées par le système et identifier les structures qui les réalisent.

Logiciel, modèle numérique sous SolidWorks, Did’acsyde.

Documents élèves Documents à consulter

Texte de TP, documents réponses, documents techniques

Dossier technique, Cours

Travail à réaliser Evaluation

Completer les documents réponse, réaliser les expérimentations, exploiter les résultats

Travail en autonomieRemise du compte rendu à la fin de la séance

- Position du TP dans la progression :

1er cycle de TP, CI 1 et 2- Durée : 1.5 h

b) CI 1


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® ®

Même texte de TP pour plusieurs systèmes

Problème technique posé Centre d’intérêt :

Vérifier les performances globales d’un système

Centre d’intérêt 2 : Etude globale des systèmes


Démarche d'analyse

Outils de la communication techniqueAucun


Utiliser la documentation technique,

Vérifier les performances globales et le comportement de certains constituants

Logiciel, modèle numérique sous SolidWorks



Dossier technique


Compléter les documents réponse, réaliser les expérimentations, exploiter les résultats

Travail en autonomieRemise du compte rendu à la fin de la séance


1er cycle de TP, CI 1 et 2- Durée : 1.5 h

b) CI 2


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correcteur Moteur CC réducteur 1/p

potentiomètre

+-

C(p) 1/p

kpot

+ ++-

transformation du mouvement

Consigne Position angulaire

Couple résistantécart command

e

retour

Taux de rotation

1/nloi

entrée/sortieLpR

kc Jpfv

1+

-

ke

XcXp

θ

Schéma fonctionnel

Schéma bloc

?

c) Exemple système Maxpid

Schéma fonctionnel obtenu à l’issue du CI 1, analyse fonctionnelle

?Problématique pour CI 6: Chaînes de solides

Problématique pour CI 1: Chaînes fonctionnelles, SLCI


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Problème technique posé Centre d’intérêt

Régler la stabilité par l’étude en boucle ouverte

Centre d’intérêt 1 : Chaîne fonctionnelles (systèmes asservis)


Stabilité d’un système asservi Modélisation et comportement des SLCI, identification des SLCI


Tracer des diagrammes de Bode à partir de mesures

Régler une marge de phase

Logiciel DAE, DIDAC’SIDE, tableur Excel


Texte de TP, documents réponse, documents techniques

Dossier technique



Travail en autonomieEcriture d’un compte rendu sur cahier


2ème cycle de TP, CI 1- Durée : 1.5 h

d) DAE CI 1


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Problème technique posé Centre d’intérêt

Déterminer la loi d’entrée sortie du système de

transformation de mouvement

Centre d’intérêt 6 : Chaîne de solides indéformables


ModélisationLinéarisation d’un loi entré sortie

Cours de modélisation cinématique


Identifier les paramètres d'entrées et les paramètres de sortie

Utiliser les fermetures de chaîne pour lier ces paramètres

Logiciel Maxpid, modèle numérique Solidworks, Tableur Excel



Dossier technique



Travail en autonomieEcriture d’un compte rendu à la fin de la séance


2ème cycle de TP, CI 6- Durée : 1.5 h

e) Maxpid CI 6


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4. Mise en place de premiers TPProblème technique posé Centre d’intérêt

Déterminer le convertisseur statique commandant la machine à courant continu

Centre d’intérêt 5 : Motorisation et conversion d’énergie,Centre d’intérêt 8 : Dynamique et énergétique


Hacheur série et hacheur 4 quadrants Interrupteurs de puissance, machine à courant continu.


Choisir un convertisseur statique en fonction du cahier des charges d’une application

Mesurer des puissances et un rendement

Localiser et quantifier les pertes

Logiciel système, ORCAD (Pspice)


Texte de TP, documents réponse, documents techniques

Dossier technique



Travail en autonomieEcriture d’un compte rendu sur cahier

f) CI 5 et 8 Même texte de TP pour plusieurs systèmes


3ème cycle de TP, CI 5 et 8- Durée : 1.5 h

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Système MaxpidTP Problématique

CI 1 Identifier et caractériser les fonctions assurées par le système et identifier les composants qui les réalisent

CI 1 Annuler l’influence d’une perturbation sur la précision de l’asservissement de position du bras

CI 1 Améliorer les performances de l’asservissement (stabilité, rapidité)

CI 2 Vérifier les performances globales du système

CI 5 Choisir le convertisseur statique commandant la MCC

CI 6 Déterminer la loi entrée sortie du système de transformation du mouvement pour identifier le bloc linéaire correspondant

CI 7 Vérifier la tenue statique de l’axe en présence d’une charge

CI 8 Estimer l’inertie équivalente du système et son influence sur le temps de réponse du moteur à une consigne de vitesse en boucle ouverte

CI 8 Vérifier le rendement du convertisseur statique

CI 9 Obtention du brut du bras du robot


g) Possibilités de problématiques :

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Système DAETP Problématique

CI 1 Identifier et caractériser les fonctions assurées par le système et identifier les composants qui les réalisent

CI 1 Vérifier le comportement de la loi d’assistance

CI 1 Améliorer la stabilité par l’étude en boucle ouverte

CI 2 Vérifier les performances globales du système

CI 3 Etudier la commande des interrupteurs de puissance

CI 5 Choisir le convertisseur statique commandant la MCC

CI 6 Étudier la géométrie du train avant, et vérifier l’orientation des roues afin d’éviter le glissement en virage

CI 7 Vérifier le couple maximum à fournir au volant

CI 8 Améliorer le retour au neutre de la direction

CI 8 Vérifier le rendement du convertisseur statique

CI 9 Obtention du brut boîtier du réducteur roue et vis sans-fin


g) Possibilités de problématiques :

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h) Bilan sur un cycle (CI 6 : Chaînes de solides)

L’approche système a permis aux étudiants de :

mieux comprendre le besoin de l’étude cinématique car elle permet de répondre à un problème technique (identifier un bloc).

valider la pertinence de la modélisation cinématique grâce aux mesures effectuées sur les systèmes réels.

s’ouvrir à d’autres problématiques : – linéarisation autour d’un point de fonctionnement pour les SLCI.– lien en rapport de transmission, rendement et énergétique.


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® ®

h) Bilan sur un cycle (CI 5 : Motorisation et conversion d’énergie CI 8 : Dynamique, puissance et énergie)

A la fin de ce cycle d’apprentissage, les étudiants :

ont une vision globale des possibilités des différents convertisseurs statiques au programme de la section ATS.

sont sensibilisés aux problèmes de pertes dans les interrupteurs avec les mesures de rendement.

sont capables de choisir le convertisseur statique le mieux adapté pour respecter un cahier des charges donné.

Remarque : le conditionnement du signal pour commander ces interrupteurs sera abordé dans le cycle de TP suivant.


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Les étudiants :

- sont plus attentifs et réceptifs (comprennent la finalité des modèles utilisés)

- retiennent mieux (problématiques issues des systèmes)

- ont une vision plus globale du cours et en comprennent mieux la progression

- acquièrent des compétences

- abordent la complexité des systèmes réels

Cependant nous avons remarqué qu’en début d’année, les étudiants :

- manquent d’autonomie

- ont des difficultés à appréhender la méthode inductive

i) Un bilan plus général :


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5. Corrélation entre matériel et centres d’intérêt Equipement des laboratoires

Systèmes CI1 CI2 CI3 CI4 CI5 CI6 CI7 CI8 CI9 efficacité

Maxpid 1 1 1 1 1 1 1 7DAE 1 1 1 1 1 1 1 1 8

Galet 1 1 1 1 1 5Portail 1 1 1 1 1 1 1 7Pousse

seringue1 1 1 1 4

Capsuleuse 1 1 1 1 1 1 1 7Equilibrage 1 1

Dialyse 1 1 1 1 1 1 1 7Stewart 1 1 1 1 1 1 6

Freinage 1 1 1 1 1 5Chariot filo 1 1 1 1 1 1 1 1 8Cordeuse 1 1 1 1 1 1 1 1 8

Suspension 1 1 1 1 1 5Citroen 1 1 1 1 1 1 6Emericc 1 1 1 1 1 1 1 7

Pellicules 1 1 1 1 1 5Pilote

électrique1 1 1 1 1 5

PAS 1 1 1 1 1 1 1 7possibilités CI 14 17 4 7 6 15 15 17 13 108

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5. Corrélation entre matériel et centres d’intérêt Equipement des laboratoires

Bilan matériel :

Manque de matériel didactisé pour exploiter les CI3 : Acquisition et conditionnement du signal CI4 : Logique combinatoire et séquentielle CI5 : Motorisation et conversion d’énergie

- apporter des modifications sur les systèmes présents (attention à la mise en conformité)

- emprunter ponctuellement du matériel dans les autres sections (SSI, BTS, …)

- achats de nouveaux systèmes

Solutions envisagées :

Organisation Pedagogie TP (1)

Documents

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