Transformer les questions de physique des examens d'entrée à l'université en kits d'expérimentation
Un nouveau projet pour repenser les cours de physique au lycée
Les questions de physique posées lors des examens d'entrée à l'université présupposent souvent un « monde idéal » abstrait — par exemple, un sol sans frottement ou une résistance de l'air négligeable — qui n'existe que sous forme d'expérience de pensée. Quiconque a étudié la physique a probablement déjà été confronté à de telles hypothèses.
Membres du projet Physics Exam Lab : Physics Exam Lab Series™. De gauche à droite : Ueno, Iwata, Kawasaki et Matsumoto de Shimadzu Rika Corporation
La société Shimadzu Rika, qui gère les activités pédagogiques en physique et en chimie du groupe Shimadzu, a lancé une initiative en collaboration avec l'Association commémorative des Olympiades internationales de physique 2023 afin de transformer des questions de physique issues d'anciens examens d'entrée à l'université en kits d'expérimentation. Nous avons rencontré des représentants de Shimadzu Rika pour parler du projet « Physics Exam Lab : Physics Exam Lab Series™ », conçu pour faire découvrir aux élèves et étudiants le plaisir de la physique.
Donner vie aux expériences de pensée en classe
« Répondre aux questions des concours d'entrée et réaliser des expériences sont devenus deux choses totalement distinctes en classe. » Ce constat revient souvent chez les professeurs de lycée. « Parallèlement, le test commun d'admission à l'université et les concours d'entrée des grandes universités comportent de plus en plus de questions basées sur des expériences ou des observations », explique Takashi Matsumoto, responsable du département des équipements de laboratoire scientifique chez Shimadzu Rika Corporation et chef de projet.
L'équipe de Matsumoto était chargée de produire 450 kits d'expériences pour les Olympiades internationales de physique de 2023. Pour ce faire, elle a surmonté de nombreux obstacles – contraintes budgétaires, garantie d'une qualité constante malgré la production de masse et préservation de la confidentialité des sujets d'examen – et a livré les kits avec succès. Les participants internationaux ont fait l'éloge de ces kits, soulignant leur qualité exceptionnelle.
Cela m'a valu une invitation à rejoindre le Physics Exam Lab, un nouveau projet lancé principalement par des enseignants ayant organisé les Olympiades internationales de physique de 2023 au Japon. Cette invitation a marqué le début du développement de la série Physics Exam Lab, qui transforme les questions des examens d'entrée en kits d'expérimentation.
L'équipe développe actuellement des kits expérimentaux basés sur les trois questions suivantes de l'examen d'entrée.
- « Train magnétique traversant la bobine » (Examen commun de physique 2022, question 3)
- « Vitesse limite d'une tasse en aluminium » (Examen commun de physique 2023, question 2)
- « Dispositif de pendule pour chariot » (Examen d'entrée de l'Université de Tokyo, premier tour, 2018, question de physique 1)
1. Train d'aimants traversant la bobine : les aimants en mouvement génèrent de l'électricité
Ueno, le chef d'équipe du développement
Ueno, chef d'équipe en charge du développement, explique : « Nous avons conçu un kit dans lequel un aimant – représentant un train – traverse un tube conducteur, permettant aux élèves d'observer les changements de mouvement et l'induction électromagnétique. L'induction électromagnétique, phénomène par lequel une tension est générée lorsqu'un aimant traverse une bobine, augmente avec la vitesse de déplacement de l'aimant. Changer l'orientation de l'aimant inverse la polarité de la tension. Les élèves peuvent également observer comment la tension varie en fonction du nombre de spires de la bobine. »
Photos d'écrans d'ordinateur montrant des variations de tension dues à l'induction électromagnétique
Pour cette expérience, ils ont utilisé la bobine propriétaire de Shimadzu Rika Corporation. Ces bobines, commercialisées depuis dix ans, présentent l'avantage d'un enroulement stable, garantissant ainsi une acquisition de données fiable. De plus, une seule bobine permet de basculer entre 600 et 300 spires, offrant aux étudiants la possibilité de comparer les variations de la forme d'onde dans différentes conditions.
Vidéo de montage de l'expérience « Train magnétique traversant la bobine » (de la chaîne YouTube Physics Exam Lab), en japonais
2. Grille d'analyse vidéo pour la vitesse limite d'une coupelle en aluminium
Kawasaki, concepteur de l'écran quadrillé d'analyse vidéo, explique : « Ce kit est basé sur la question 2 de l'examen commun de physique de 2023. Cette question porte sur la vitesse limite, c'est-à-dire le moment où l'accélération de la tasse en aluminium en chute libre s'annule. Lors des expériences, nous enregistrons des vidéos et les analysons à l'aide d'une application, mais j'ai conçu un écran pour faciliter ce processus. Les lignes quadrillées imprimées sur l'écran simplifient l'analyse et permettent d'observer plus facilement les variations de distance parcourue dans la vidéo. Le matériau utilisé est une bâche indéformable, choisie pour sa résistance au froissement. De plus, une application d'analyse gratuite, utilisable dans un navigateur, sera développée par un professeur de travaux pratiques de physique. »
Kawasaki explique comment utiliser l'écran qu'elle a mis au point.
Vidéo pédagogique pour le kit d'expérience sur la chute d'une tasse en aluminium (de la chaîne YouTube Physics Exam Lab), en japonais
3. Accessoire de pendule à chariot oscillant sur un sol sans frottement
Iwata, concepteur du dispositif de pendule pour chariot, explique : « Ce kit correspond à la question 1 de physique de l’examen d’entrée de première session de 2018 à l’Université de Tokyo. Cette question porte sur le mouvement global d’un pendule suspendu à un pilier sur un chariot placé sur un sol horizontal, en supposant l’absence de frottement entre le sol et le chariot. En fixant le dispositif sur notre plateforme Smart Cart, nous avons simulé les conditions d’un sol sans frottement. Nous l’avons conçu pour que les étudiants puissent analyser les questions et vérifier eux-mêmes les résultats. Nous avons privilégié la facilité d’utilisation en classe, en intégrant des fonctionnalités telles que des longueurs de corde ajustables et des échelles angulaires pour garantir une manipulation aisée du kit pendant les cours. »
Elle a également expliqué que « les élèves peuvent confirmer visuellement le point stationnaire qui se forme sur la corde du pendule à la suite du mouvement combiné du chariot et du pendule, comme le prédit la théorie. »
Kits expérimentaux développés grâce à la collaboration d'équipe
Lors de la conception des kits, chaque membre est responsable d'un dispositif spécifique, tandis que l'équipe entière effectue les revues de conception. L'équipe consulte également les enseignants du laboratoire d'examen de physique et teste les prototypes auprès d'étudiants universitaires et lycéens, intégrant leurs commentaires pour affiner la conception.
Commentaire du responsable de Shimadzu Rika Corporation
Lorsque les professeurs des Olympiades de physique nous ont contactés pour adapter directement les questions de l'examen d'entrée en kits expérimentaux, j'ai pensé : « C'est exactement le genre de travail que Shimadzu Rika devrait faire. »
Notre objectif était de recréer, aussi fidèlement que possible, les « dispositifs impossibles » présentés dans les schémas d'examen, en combinant du matériel existant et des approches novatrices. Lorsque les élèves relisent la question d'examen en tenant compte de l'intuition acquise grâce à l'expérience, le sens des formules devient naturellement plus clair. Les élèves qui réalisent l'expérience avant de répondre aux questions d'examen sont susceptibles d'acquérir une compréhension plus approfondie et une impression plus positive de la physique que ceux qui se basent uniquement sur le manuel.
Jusqu'à présent, il arrivait souvent que, même après avoir mené des expériences et consacré du temps à l'analyse des résultats, le temps manque pour vérifier les conclusions essentielles. Aujourd'hui, des capteurs de haute précision permettent de recueillir les résultats expérimentaux et de les convertir en données, ce qui nous permet de fournir des ressources pédagogiques aidant les élèves à analyser les résultats plus efficacement et à apprendre plus efficacement.
Nous serions ravis que nos kits puissent constituer une solution précieuse pour les enseignants qui peinent à trouver le temps de réaliser des expériences. Surtout, nous espérons que ces kits inciteront les élèves à découvrir à quel point la physique peut être fascinante.
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