Intégrer l'IA en Éducation : Des TP Scientifiques qui Stimulent Pensée Critique et Autonomie

L'intégration de l'intelligence artificielle (IA) dans l'éducation ouvre des perspectives fascinantes pour enrichir l'apprentissage, mais elle pose une question essentielle : comment utiliser cet outil sans nuire au développement de la pensée critique et de l'autonomie des élèves ?

Pour explorer cette question, nous proposons une activité réalisable dans le cadre scolaire : les Travaux Pratiques (TP) dopés à l'IA. Les sciences offrent un cadre idéal pour exploiter tout le potentiel des modèles génératifs actuels. Déjà adoptée par les scientifiques pour accélérer leurs recherches, l'IA peut intervenir à presque toutes les étapes d'une investigation scientifique : recherche documentaire, analyse de données, modélisation et diffusion des résultats. Dans un contexte d'expérimentation pratique, elle peut apporter une nouvelle motivation et démultiplier les possibilités pédagogiques.

Dans les paragraphes qui suivent, vous découvrirez comment l'étude de l'oscillation d'un smartphone au bout d'un élastique permet d'établir un dialogue fructueurx entre entre l'élève et l'IA.

Une méthode d'investigation scientifique dopée à l'IA

La méthode d'investigation repose sur l'idée que les élèves apprennent de manière plus efficace en étant actifs et en explorant par eux-mêmes, plutôt qu'en recevant passivement des informations. Dans cette méthode, l'élève utilise tous les outils à sa disposition pour "enquêter" sur un phénomène à la manière d'un chercheur.

Notre proposition est d'intégrer l'IA dans cette démarche pour amplifier les capacités d'investigation des élèves. L'objectif que nous recherchons est que son utilisation raisonnée encourage l'élève à aller plus loin dans le questionnement et la démarche d'investigation. Équipé d'outils d'IA, ses moyens sont décuplés et amplifiés. La méthode scientifique en est renforcée, car l'élève peut se concentrer davantage sur son application et sa réflexion critique.

Une investigation scientifique dopée à l'IA pourra comporter les étapes suivantes :

1. Recherche documentaire : L'élève utilise des assistants virtuels pour mener plus facilement une recherche exhaustive des différents aspects du problème et mieux comprendre les enjeux.

2. Expérimentation : L'IA peut guider l'élève sur les meilleurs instruments à utiliser et les erreurs qu'il est préférable d'éviter pour réaliser la partie expérimentale.

3. Analyse de données : L'élève utilise l'IA pour analyser les données par le dialogue, identifier des motifs ou des anomalies, et représenter les données sous forme graphique.

4. Modélisation : L'élève échange avec l'IA pour finaliser un modèle théorique basé sur les observations et les données expérimentales.

5. Étude et discussion du modèle : L'élève utilise l'IA pour analyser le comportement du modèle sous différentes conditions, y compris les valeurs limites, et explorer la sensibilité aux paramètres.

6. Applications et innovation : La recherche d'applications est facilitée par la base de donnée exhaustive des IA

7. Conclusions et communication : L'élève et l'IA collaborent pour obtenir un rapport d'activité clair, logique et cohérent.

8. Partage : L'élève et l'IA s'accordent sur le meilleur moyen de structurer et diffuser la communication.

   
   

L'objectif pédagogique de la séance est de montrer à l'élève comment l'IA peut l'aider à aller plus loin dans ses recherches, comment organiser son travail avec cet outil, quels dialogues initier, découvrir les forces et les faiblesses de ces modèles, et enfin mieux comprendre comment en obtenir le meilleur.

Sujet d'étude et aspects pratiques

Nous proposons dans cet article de réaliser un travail d'investigation scientifique sur un phénomène physique simple à mettre en œuvre par les élèves, mais suffisamment complexe pour que le rôle de l'IA soit significatif. Nous positionnons ce TP dans le cadre du programme de première, en spécialité "Physique-Chimie" ou "Sciences de l'ingénieur". La complexité du phénomène étudié va délibérément au-delà des attentes du programme, avec pour objectif d'encourager les élèves à solliciter l'aide de l'IA et à repousser leurs limites.

Pour cet article nous choisissons le défi suivant pour les élèves : "En combinant une approche expérimentale et l'utilisation de l'IA, étudiez avec l'accéléromètre de votre smartphone la mécanique d'un pendule élastique vertical et rédigez une publication scientifique."

La publication devra inclure les éléments habituels d'une recherche scientifique : recherche documentaire, manipulation expérimentale, analyse des données, modélisation et rattachement à la théorie, étude et discussion du modèle, applications et communication.

Pour faciliter cette manipulation, il est fourni aux élèves un élastique de 40 cm de long qui servira de ressort, ainsi qu'un sac en plastique pour y placer le smartphone. L'exercice peut être réalisé en laboratoire ou en classe, à condition de pouvoir y suspendre les pendules.

Pour l'IA, nous utilisons dans cet article ChatGPT, mais toute autre IA donnerait des résultats équivalents et nous encourageons chacun à choisir le sytème de son choix. Ces outils évoluent très rapidement, donc d'autres possibilités que celles décrites peuvent exister. En pratique, les élèves pourront utiliser les ordinateurs de la classe s'ils sont disponibles, ou bien les tablettes et smartphones permettant d'accéder à l'application dédiée ChatGPT.

Calibrer l'IA

Avant de commencer une étude expérimentale, il faut calibrer ses instruments. Il en va de même avec l'IA. Ce processus s'appelle le prompting. Les prompts sont les instructions ou les questions fournies par l'utilisateur pour guider l'IA dans sa réponse. En d'autres termes, un prompt est le point de départ qui indique à l'IA ce que l'utilisateur souhaite obtenir en termes d'information ou d'aide.

On utilise les prompts pour :

• Orienter les réponses : Un prompt permet à l'IA de comprendre le contexte et l'objectif de la question. Par exemple, un prompt précis et bien formulé aide l'IA à générer une réponse plus pertinente et ciblée.

• Définir le ton et la structure : Le type de prompt peut indiquer à l'IA le style de réponse attendu (formel, informatif, créatif, concis, etc.). Un prompt demandant une explication simple pour un élève de lycée, par exemple, oriente l'IA vers un ton plus pédagogique et accessible.

• Spécifier des actions ou des formats : Certains prompts peuvent demander à l'IA de structurer la réponse de manière spécifique (par exemple, sous forme de liste, de paragraphe ou d'exemple pratique). Cela permet de recevoir une réponse qui correspond à un format ou une exigence particulière.

• Personnaliser les résultats : Les prompts permettent d'adapter la réponse à des besoins spécifiques, comme demander une explication adaptée à un certain niveau de connaissance ou un domaine précis (sciences, histoire, technologie, etc.).

  
  

Pour commencer un travail avec modèle génératif, il est donc important de rédiger un prompt initial qui définit le contexte, l'objectif de la recherche, le type de réponses que l'on souhaite obtenir, et le niveau de complexité des réponses. Il est essentiel que l'élève et son groupe, avec l'aide de l'enseignant, définissent un ou plusieurs prompts introductifs adaptés à la recherche et au niveau des étudiants. Le risque si cette phase introductive n'est pas suivie est que l'IA donne des résultats trop complexes ou mal adapté au niveau des élèves.

En appuyant sur l'onglet > ci-dessous, vous pouvez visualiser le prompt que nous avons utilisé pour la suite de l'exercice.

Voir le Dialogue avec ChatGPT

Question : Dans la suite, je suis une/une élève de première scientifique et avec mon groupe nous voulons étudier le mouvement vertical d'un pendule attaché à un élastique. Pour cela nous faire une expérience pour recueillir les données fournies par l'accéléromètre du pendule. Nous allons te poser des questions, veille à nous aider mais à te souvenir que nous ne sommes qu'en première et que les réponses doivent être concises et pas trop compliquées.

C'est noté ! Je serai là pour vous aider avec des réponses simples et concises. Quelle est votre première question ?

Recherche documentaire

La recherche documentaire à l'aide de l'intelligence artificielle est l'utilisation la plus simple et commune des modèles génératifs. Cependant, dans le cadre de la méthode d'investigation scientifique, l'IA apporte des atouts pédagogiques importants.

L'objectif de la recherche documentaire est de fournir aux élèves les bases théoriques nécessaires pour comprendre le pendule oscillant, en explorant des concepts clés tels que les oscillations, l'amortissement et la modélisation mathématique. Elle les prépare également à utiliser des outils de mesure modernes, comme les capteurs de smartphones, et à poser les bases pour l'analyse et la modélisation des données expérimentales. Enfin, elle encourage une réflexion scientifique structurée avant de passer à la manipulation expérimentale.

L'IA est intéressante pédagogiquement dans ce contexte car elle permet un accès rapide à des informations précises et adaptées à leurs questions spécifiques à travers un dialogue interactif. Elle les guide dans leur réflexion en suggérant des pistes pertinentes et en clarifiant des concepts complexes. L'IA personnalise l'apprentissage en s'adaptant au niveau de compréhension des élèves, tout en synthétisant des informations pour leur permettre de se concentrer sur l'essentiel. En facilitant la compréhension et en orientant la recherche, l'IA permet aux élèves de structurer leur démarche scientifique de manière plus fluide et efficace.

En ouvrant l'onglet > ci-dessous, vous découvrirez le début d'une conversation entre un élève et une IA, qui a permis à l'élève de circonscrire le sujet et d'obtenir de premières hypothèses sur le modèle mathématique de l'accélération du pendule.

Voir le Dialogue avec Chat GPT

Question : Pourquoi ce pendule est différent du pendule simple ?

Le pendule attaché à un élastique est différent d'un pendule simple car l'élastique peut s'étirer et se contracter. Cela change la longueur du pendule pendant son mouvement, ce qui rend son comportement plus complexe. Dans un pendule simple, la longueur est fixe et le mouvement est régulier, mais avec un élastique, la force varie en fonction de l'étirement, créant un mouvement plus irrégulier et non linéaire.

Question : Quels sont les scientifiques qui ont découvert le pendule élastique ?

Le concept du pendule élastique (ou pendule à ressort) n’a pas de "découverte" attribuée à un seul scientifique, mais est plutôt le résultat d'une évolution des travaux sur les systèmes oscillants et la mécanique des ressorts.

1. Robert Hooke (1635-1703) est souvent cité comme l'un des premiers à poser les bases théoriques pour comprendre le comportement d'un pendule élastique, grâce à sa loi de Hooke, (....).

2. Christiaan Huygens (1629-1695), bien qu'il soit plus connu pour ses travaux sur le pendule simple et l'horloge à pendule, a également influencé l'étude des systèmes oscillants plus complexes, comme le pendule à ressort. Ses travaux sur les oscillations (....)

3. Leonhard Euler (1707-1783) et Jean le Rond d'Alembert (1717-1783) ont contribué à la formulation des équations différentielles utilisées pour modéliser des systèmes comme le pendule élastique. (...)

Le pendule élastique est donc le résultat de l'application de plusieurs concepts issus des travaux de ces scientifiques sur les forces élastiques et les oscillations.

Question : Quelle sont les applications du pendule élastique ?

Le pendule élastique a plusieurs applications dans divers domaines scientifiques et technologiques :

1. Étude des oscillations et systèmes dynamiques : Le pendule élastique est utilisé pour étudier les oscillations complexes et les systèmes non linéaires, souvent dans les cours de physique avancée. Il permet de comprendre les forces en jeu lorsque des systèmes oscillants sont soumis à des forces de rappel non constantes, comme dans les ressorts ou les élastiques.

2. Modélisation des vibrations : Les principes du pendule élastique sont utilisés pour modéliser les vibrations dans de nombreux systèmes mécaniques, comme les suspensions de véhicules, les ponts suspendus, ou les gratte-ciels soumis à des forces sismiques.

3. Applications dans les capteurs : Les capteurs modernes, comme les accéléromètres dans les smartphones, peuvent être utilisés pour analyser les mouvements du pendule élastique.

4. Médecine et biomécanique : En biomécanique, les modèles basés sur le pendule élastique sont utilisés pour simuler le mouvement des muscles et des tendons, qui se comportent souvent comme des ressorts lors de mouvements articulaires.

5. Systèmes d'énergie renouvelable : Le pendule élastique a des applications dans certains systèmes de récupération d'énergie, comme les systèmes qui exploitent l'énergie des vagues ou des marées.

Ces exemples montrent comment un concept relativement simple peut être appliqué à une grande variété de domaines pour modéliser des phénomènes complexes.

Question : Y-a-t-il des articles scientifiques qui explorent l'étude des pendules avec un élastique et un smartphone ?

Oui, il existe des articles scientifiques qui explorent l'utilisation des smartphones pour étudier le mouvement des pendules élastiques. Par exemple, plusieurs études ont utilisé l'accéléromètre d'un smartphone pour analyser les phénomènes liés au pendule, y compris des versions avec ressorts ou élastiques. Une étude intéressante a utilisé des smartphones fixés à des ressorts pour mesurer les oscillations et obtenir des données de mouvement, qui ont ensuite été exportées vers des logiciels comme Excel pour analyse plus approfondie. Ils ont pu déterminer des paramètres importants comme la constante du ressort et la fréquence des oscillations.

Un autre article a même introduit l'usage des capteurs LiDAR présents dans certains smartphones pour des mesures de distance précises, en complément des données fournies par l'accéléromètre, améliorant ainsi la précision des résultats pour l'étude des pendules à ressorts et élastiques. Cela permet une meilleure compréhension des oscillations amorties et des phénomènes dynamiques associés​

Question : Quelle est l'équation mathématique de l'accélération en fonction du temps ?

Question : Quelles autres questions devrais-je te poser pour faire une recherche documentaire complète ?

Pour mener une recherche documentaire complète sur le pendule élastique, voici quelques questions supplémentaires à poser, qui te permettront d’approfondir différents aspects du sujet :

1. Historique du pendule élastique :

   • Quels sont les premiers travaux historiques sur le pendule élastique et comment ont-ils influencé la physique moderne ?

   • Comment le pendule élastique a-t-il été utilisé dans l'histoire des sciences ?

2. Aspects théoriques et mathématiques :

   • Quelles sont les principales équations différentielles associées aux mouvements d'un pendule élastique ?

   • Quelles sont les différences entre le comportement linéaire et non linéaire du pendule élastique ?

   • Comment la loi de Hooke s'applique-t-elle au mouvement du pendule élastique ?

3. Comparaison avec d’autres systèmes oscillants :

   • Quelles sont les différences entre un pendule simple, un pendule conique, et un pendule élastique ?

   • Quelles sont les similitudes et différences entre un pendule élastique et d’autres systèmes oscillants, comme un oscillateur harmonique simple ?

4. Applications modernes :

   • Comment les principes du pendule élastique sont-ils utilisés dans la conception de structures architecturales (ex : ponts, bâtiments) pour absorber les vibrations ?

   • Quelles sont les applications du pendule élastique dans le domaine médical, par exemple dans l’étude du mouvement des muscles et tendons ?

   • Comment les smartphones et leurs capteurs (accéléromètres, LiDAR) sont-ils utilisés pour étudier le mouvement des pendules élastiques ?

5. Expériences pratiques :

   • Quelles expériences simples peut-on réaliser pour étudier un pendule élastique, avec des outils comme un smartphone ?

   • Comment analyser les données d’accélération et de mouvement obtenues par un smartphone attaché à un pendule élastique ?

6. Modélisation et simulation :

   • Quels logiciels sont utilisés pour modéliser le mouvement d’un pendule élastique ?

   • Quelles sont les méthodes numériques utilisées pour simuler les oscillations d’un pendule élastique ?

7. Problèmes ouverts et recherches actuelles :

   • Quels sont les défis actuels dans l'étude des pendules élastiques, notamment en mécanique non linéaire ?

   • Quelles recherches sont menées actuellement pour mieux comprendre les phénomènes liés aux pendules élastiques ?

Ces questions t'aideront à explorer les différents aspects théoriques, historiques, et pratiques du sujet, tout en couvrant les applications modernes et les recherches actuelles.

Manipulation expérimentale

Une fois la recherche documentaire terminée, l'élève et son groupe passent aux manipulations expérimentales. Pour réussir cette phase, plusieurs éléments doivent être réunis : comment mettre en place le dispositif expérimental, les règles de sécurité à suivre, enregistrer les données et les exporter pour analyse. Ces aspects peuvent être soumis à l'IA pour obtenir des suggestions, ajustées en fonction du contexte de l'expérience. Nous proposons ci-dessous plusieurs questions que l'élève pourra poser à l'IA.

Il est important de noter que l'IA n'est pas toujours la solution idéale, ce qui constitue un apprentissage précieux pour les élèves. Par exemple, les explications fournies par l'IA sur le dispositif expérimental peuvent manquer de précision. Dans ce cas, l'élève devra expérimenter pour trouver une solution simple et efficace par lui-même. De plus, l'IA, comme ChatGPT, ne connaît pas toujours certaines spécificités techniques, comme l'existence d'une mesure directe de la norme sur FizziQ, que les élèves découvriront en cours de route.

Pour visualiser la discussion avec l'IA, appuyez sur l'onglet > ci-dessous.

Voir le Dialogue avec ChatGPT

Question : Y-a-t-il un risque à faire cette expérience ?

Faire des expériences avec un pendule élastique est généralement sûr, mais comme avec toute expérience impliquant des mouvements physiques et des forces, il y a quelques précautions à prendre pour minimiser les risques :

1. Chute de l'objet : Assurez-vous que l'objet attaché à l'élastique (dans ce cas, un smartphone) est bien sécurisé. Une fixation lâche pourrait entraîner la chute de l'objet, ce qui pourrait l'endommager ou blesser quelqu'un se trouvant en dessous.

2. Rupture de l'élastique : Si l'élastique n'est pas conçu pour supporter le poids ou la tension exercée, il pourrait se rompre. Utilisez un élastique adapté à la masse de l'objet et à l'amplitude des oscillations envisagées.

3. Impact avec l'environnement : L'objet en oscillation pourrait entrer en collision avec d'autres objets ou personnes à proximité. Assurez-vous de dégager suffisamment d'espace autour de la zone d'expérimentation.

4. Réactions inattendues : Dans le cas d'élastiques très extensibles ou de systèmes sous forte tension, les mouvements pourraient être plus violents ou imprévisibles que prévu. Testez toujours dans un environnement contrôlé avant d'augmenter la masse ou la tension.

Question : Comment fixer le smartphone à l'élastique pour améliorer les mesures ?

Il est important de fixer le smartphone solidement et de manière symétrique au ressort ou à l’élastique pour éviter toute interférence. Voici quelques conseils :

• Position centrale : Fixe le smartphone en son centre de gravité pour garantir que son poids soit réparti uniformément, ce qui minimisera les oscillations parasites. Utilise des attaches souples mais sécurisées (comme des élastiques supplémentaires ou des bandes de velcro) pour ne pas gêner le mouvement vertical du pendule.

• Fixation rigide : Veille à ce que le smartphone soit bien maintenu dans l’axe du ressort sans qu’il puisse glisser ou se balancer latéralement, car cela pourrait introduire des mouvements indésirables.

• Orientation : Positionne le smartphone de manière à ce que l’axe de l’accéléromètre le plus pertinent soit aligné avec l’axe vertical du mouvement (généralement l'axe z dans les smartphones), pour une mesure précise des accélérations verticales.

• Quel est le meilleur smartphone pour effectuer ces mesures d'accélérations ?Pour des mesures d'accélération précises, il est recommandé d'utiliser un smartphone équipé de capteurs d’accéléromètre et de gyroscope de haute qualité. Les modèles récents de smartphones tels que ceux de la gamme iPhone (iPhone 12 et versions ultérieures) ou Samsung Galaxy (S20, S21 et versions ultérieures) offrent une excellente précision pour la collecte de données. Ces appareils possèdent des capteurs de mouvements très sensibles et calibrés avec soin. De plus, ils sont compatibles avec des applications scientifiques comme FizziQ et Phyphox, qui permettent d’accéder facilement aux données des capteurs.

  
  

Question : Quelle application est la mieux pour réaliser les mesures ?

Les deux meilleures applications pour réaliser ces mesures sont FizziQ et Phyphox :

1. FizziQ : Développée spécifiquement pour l'enseignement scientifique, FizziQ permet de mesurer et d'enregistrer des données de capteurs de manière intuitive. Elle offre des outils pour visualiser les graphiques et interpréter les données directement via l'interface. Elle est particulièrement bien adaptée pour des expériences pédagogiques, avec une interface utilisateur claire et simple.

2. Phyphox : Cette application est également très populaire pour les mesures scientifiques. Elle donne un accès direct aux capteurs du smartphone et propose une large gamme d'outils d'analyse, avec la possibilité de configurer des expériences complexes et de personnaliser les paramètres des capteurs. Phyphox est très flexible et propose des visualisations des données en temps réel.

Question : Quelle mesure je dois utiliser sur FizziQ si je veux mesurer la norme de l'accélération sur le smartphone ?

Sur FizziQ, si tu veux mesurer la norme de l'accélération sur le smartphone (c'est-à-dire l'accélération totale combinant les axes xx, yy, et zz), tu dois utiliser les mesures provenant du capteur d'accéléromètre. Bien que FizziQ n'ait peut-être pas une option explicite pour calculer directement la norme, voici comment procéder :

1. Sélectionner le capteur "Accéléromètre" :

   • Accède à l'application FizziQ et sélectionne le capteur Accéléromètre.

   • Ce capteur te fournira les données d'accélération sur les trois axes xx, yy, et zz.

2. Exporter les données ou calculer manuellement :

   • Si FizziQ ne propose pas de mesure directe de la norme (accélération totale), tu peux exporter les donnéesdes trois axes xx, yy, et zz au format CSV.

   • Utilise ensuite un logiciel comme Excel pour calculer la norme de l'accélération à l'aide de la formule suivante :aglobal=ax2+ay2+az2aglobal​=ax2​+ay2​+az2​​

   • Cela te permettra d'obtenir la norme de l'accélération en combinant les trois axes.

3. Vérifier les paramètres dans FizziQ :

   • Il est possible que certaines versions ou configurations de FizziQ offrent une option pour afficher directement la norme de l'accélération dans l'interface graphique. Si cette option est disponible, tu n’auras pas besoin de faire le calcul manuellement.

Question : Comment exporter les données avec FizziQ ?

Avec FizziQ, l'exportation des données est simple et rapide :

• Après avoir réalisé une mesure, les données sont visualisées dans l'application sous forme de graphique.

• Pour exporter les données, il suffit de cliquer sur l'option "Exporter les données" (ou une icône dédiée). L'application propose plusieurs formats d'exportation, notamment le CSV (format texte de données tabulaires).

• Tu peux envoyer ces données par email directement depuis l'application, ou les sauvegarder dans un espace de stockage sur ton smartphone (par exemple Google Drive ou Dropbox).

• Ensuite, tu peux ouvrir le fichier CSV dans un logiciel comme Excel ou Google Sheets pour analyser les données plus en détail.

Après avoir vérifié que le graphique généré présente suffisamment d'oscillations, les données sont exportées dans un fichier CSV. La phase expérimentale est donc achevée, nous pouvons maintenant revenir à l'utilisation de l'IA pour analyser les données !

Analyse de données

L'analyse des données vise à examiner les informations expérimentales enregistrées pour en extraire les éléments clés et tirer des conclusions sur les caractéristiques physiques du mouvement observé. Cette démarche comprend la suppression des segments inutiles pour nettoyer les données, le lissage des données pour réduire le bruit, et l'identification de caractéristiques telles que la période du mouvement ou l'amortissement des oscillations.

Les modèles génératifs modernes permettent non seulement une analyse approfondie graphique ou statistique, mais aussi un retraitement direct des données grâce à une interface en langage naturel, plus intuitif pour l'élève. L'élève peut bien sûr demander de l'aide pour réaliser ces operations ou comprendre leur utilité.

Rapidement, l'élève pourra ainsi :

• Visualiser les données : Pour obtenir une représentation graphique qui facilite la compréhension des tendances.

• Nettoyer les données : En éliminant les anomalies ou les valeurs extrêmes qui pourraient fausser l'analyse.

• Lisser les données : Pour atténuer les fluctuations aléatoires et mieux voir les tendances principales.

• Calculer et interpréter les caractéristiques : Comme déterminer la période des oscillations et évaluer l'efficacité de l'amortissement.

• Exporter les données : Pour les utiliser dans d'autres logiciels ou les partager.

Dans notre dialogue ci-dessous, nous avons analysé et nettoyé les données provenant du tableau exporté dans la partie expérimentale. Cette analyse a révélé des aspects importants du comportement de l'accélération au cours du temps et permis de détecter des invariants dans le mouvement.

Ouvrez l'onglet > pour découvrir le dialogue entre l'élève et l'IA

Vois le Dialogue avec ChatGPT

Question : Fais le graphique des données jointes en fichier CSV

Voici le graphique de l'accélération absolue au cours du temps, basé sur les données que vous avez fournies. Ce tracé montre les fluctuations de l'accélération absolue. Si vous souhaitez apporter des modifications ou si vous avez besoin d'autres analyses, dites-le moi !

Question : Dans ce graphique enlève les données avant le point le plus bas et après 10 s

Voici le graphique de l'accélération absolue filtré pour afficher les données entre environ 2,3 secondes et 10 secondes. Cela vous montre les fluctuations de l'accélération pendant cette période spécifique. Si vous avez besoin de plus d'ajustements ou de d'autres analyses, n'hésitez pas à demander.

Question : Lisse les données pour que je puisse mieux observer le phénomène

Question : Quelle est la période du phénomène ?

Après avoir lissé les données et calculé les périodes entre les pics et les creux, la période moyenne du phénomène, sur les données lissées, est d'environ 0.69 secondes. Ce calcul est basé à la fois sur les pics et les creux, qui donnent des valeurs très proches, confirmant la régularité du phénomène observé. Si vous avez d'autres questions ou besoin d'analyses supplémentaires, je suis là pour vous aider !

Question : La période est-elle stable ?

La période moyenne est d'environ 0,69 secondes, avec un écart-type de 0,015 secondes. Cela indique que la période est relativement stable, avec de petites variations autour de la moyenne. Les fluctuations sont minimes, suggérant que le phénomène observé est régulier.

Si vous avez besoin de plus de détails ou d'une analyse supplémentaire, n'hésitez pas à me le dire ! ​

Question : Peux tu étudier l'amortissement des oscillations ?

Pour caractériser l'amortissement de l'amplitude des oscillations de manière plus quantitative, nous pouvons utiliser une approche de régression pour estimer comment l'amplitude des pics diminue avec le temps. Une approche courante consiste à ajuster une fonction exponentielle de décroissance, typiquement utilisée pour modéliser l'amortissement dans les systèmes oscillants.

Je vais ajuster un modèle exponentiel aux amplitudes des pics et vous montrer les résultats.

L'ajustement de la décroissance exponentielle sur les amplitudes des pics montre effectivement un amortissement des oscillations. Les paramètres de l'ajustement sont les suivants :

• A≈15.04A≈15.04 : amplitude initiale.

• B≈0.273B≈0.273 : taux de décroissance.

• C≈9.99C≈9.99 : valeur asymptotique vers laquelle l'amplitude tend.

La courbe rouge sur le graphique représente l'ajustement de la décroissance exponentielle, et il est clair que les amplitudes des pics diminuent avec le temps, indiquant un amortissement notable des oscillations.

Exporte les données lissées dans un tableau

Les données lissées ont été exportées dans un tableau Excel. Tu peux les télécharger en suivant ce lien : Télécharger le fichier Excel.

Si tu as besoin d'autres ajustements, n'hésite pas à demander !

Modélisation

Dans le raisonnement scientifique, la relation entre théorie, modèle et données peut s'articuler de plusieurs manières, chacune reflétant une approche différente de la recherche. Une méthode directe consiste à partir de la théorie et à vérifier que les données expérimentales confirment les équations mathématiques qui en découlent. Il est également possible de construire un modèle mathématique qui semble bien expliquer les données, afin de guider la réflexion théorique dans une direction spécifique. Ces deux approches peuvent être facilitées par l'utilisation de l'intelligence artificielle.

Dans notre exemple, lors de leur recherche documentaire, les élèves ont été orientés vers une évolution périodique sinusoïdale de l'accélération. En analysant les courbes, ils ont également observé que, bien que cette évolution soit périodique, l'amplitude des oscillations semble diminuer avec le temps. Ces observations sont transmises à l'IA pour tenter de déterminer un modèle qui explique les données, et obtenir des indications sur les raisons théoriques expliquant ce modèle.

Pour visualiser la discussion avec l'IA, ouvrez l'onglet > ci-dessous.

Voir la Discussion avec ChatGPT

Question : Utilise les données lissées et essaie de voir si le modèle mathématique que tu as cité permet d'expliquer ces données ?

Pour vérifier si le modèle que j'ai mentionné (basé sur un pendule élastique) peut expliquer ces données, nous allons comparer les données expérimentales à un modèle d'accélération théorique, en tenant compte de l'équation du mouvement du pendule élastique.

Je vais ajuster un modèle théorique à tes données et vérifier comment ils correspondent. Je vais d'abord essayer d'ajuster une fonction basée sur une oscillation avec amortissement, typique d'un pendule élastique, et voir comment elle se compare à tes mesures.

Le modèle d'oscillation amortie ajusté aux données expérimentales donne les paramètres suivants :

• Amplitude (A) : 15.78

• Facteur d'amortissement (gamma) : 0.26

• Fréquence angulaire (omega) : 9.09 rad/s

• Phase initiale (phi) : -8.23 rad

• Décalage vertical (offset) : 9.83

Le graphique montre une bonne correspondance entre les données mesurées et le modèle théorique, ce qui suggère que le mouvement observé peut être bien décrit par une oscillation amortie, typique d'un pendule élastique.

Si tu souhaites explorer plus en détail les données ou modifier le modèle, fais-le-moi savoir !

Question : Ca a l'air de bien coller, non ?

Oui, le modèle d'oscillation amortie semble bien correspondre aux données mesurées, ce qui indique que le comportement du pendule élastique que vous avez observé suit effectivement une dynamique d'oscillation avec amortissement. Cela signifie que les forces en jeu, comme l'étirement de l'élastique et l'amortissement dû aux frottements ou à la dissipation d'énergie, sont bien prises en compte par ce modèle.

Si vous souhaitez approfondir ou tester d'autres modèles ou scénarios, n'hésitez pas à poser d'autres questions !

Question : Comment est ce que je peux expliquer cette équation de l'accélération simplement ?

Pour expliquer l'équation de l'accélération du pendule élastique de manière simple, on peut dire :

1. Amplitude (A) : C’est la force initiale ou l’étendue du mouvement. Plus l'amplitude est grande, plus le pendule bouge vite au début.

2. Facteur d'amortissement (γ) : C’est la diminution progressive de la vitesse du pendule à cause des frottements ou de la résistance. Cela fait que les oscillations deviennent de plus en plus petites avec le temps.

3. Fréquence angulaire (ω) : C’est la vitesse à laquelle le pendule oscille. Elle dépend de la raideur de l’élastique et de la masse du pendule.

4. Phase (ϕ) : C’est la position de départ du pendule dans son mouvement. Cela affecte où il se trouve au moment où on commence à observer.

5. Décalage (offset) : C’est la valeur de base autour de laquelle l’oscillation se fait. Ici, ça peut être une sorte de "niveau de base" d'accélération.

En résumé, cette équation dit que l’accélération du pendule diminue au fil du temps à cause de l’amortissement, tout en oscillant autour d’une position centrale, en suivant un mouvement qui ralentit progressivement.

Question : J'ai du mal à comprendre, je suis un élève de première, peux-tu mieux expliquer pourquoi l'accélération suit une telle fonction mathématique ?

Nous voyons à travers ces échanges que l'IA peut s'adapter au niveau de la personne avec laquelle elle échange. Pour un élève de première, l'explication est beaucoup plus claire. Elle peut être encore plus simple si nécessaire.

Etude du modèle

L'étude du modèle a pour objectif d'analyser le comportement du modèle théorique déterminé. Dans le contexte de notre étude, l'élève cherche à comprendre comment différents paramètres du système – tels que l'amortissement ou l'élasticité d'un élastique – influencent les oscillations d'un pendule élastique. Certains de ces paramètres ne pourront être découverts qu'après plusieurs allers-retours dans le questionnement, un processus qui participe à l'apprentissage de l'élève.

Cette étude nécessite souvent la création d'un programme informatique pour générer des courbes et faciliter l'exploration des variations de paramètres. L'IA est un excellent assistant en programmation et peut aider l'élève dans ce processus de création. L'outil peut également réaliser ces analyses en ligne, en utilisant un langage naturel.

Pour découvrir l'échange entre l'élève et l'IA, ouvrez la boîte de dialogue > ci-dessous :

Voir la Dialogue avec ChatGPT

Question : En utilisant le modèle, trace les courbes pendant 10 secondes entre un élastique ayant les même caractéristiques que notre élastique, un élastique sans amortissement et un élastique avec le double amortissement

Voici la simulation étendue pour 20 secondes, montrant les comportements des trois types d'élastiques :

• Rouge (Modèle amorti étendu) : Montre une diminution continue de l'amplitude des oscillations due à l'amortissement.

• Vert (Modèle idéal sans amortissement étendu) : Présente des oscillations constantes en amplitude, indiquant un mouvement perpétuel sans perte d'énergie.

• Violet (Modèle avec le double d'amortissement étendu) : L'amplitude des oscillations diminue plus rapidement que dans le modèle d'amortissement standard, illustrant l'effet d'un amortissement plus fort sur la rapidité avec laquelle l'énergie du système est dissipée.

Cette visualisation aide à comprendre les différences fondamentales entre un système avec et sans amortissement, et comment l'augmentation de l'amortissement impacte le mouvement d'un pendule élastique sur une période prolongée. ​

Question : trace à présent les courbes entre un élastique très peu extensible et un très extensible et le notre

Voici les courbes pour trois différents niveaux d'extensibilité de l'élastique :

• Bleu (Élasticité normale) : C'est notre modèle de référence qui montre une oscillation avec un amortissement standard.

• Vert (Moins extensible) : Ce modèle représente un élastique moins extensible (plus rigide). Les oscillations sont plus rapides en raison d'une fréquence angulaire plus élevée, ce qui indique une plus grande raideur.

• Rouge (Plus extensible) : Ici, l'élastique est plus extensible (moins rigide), donc les oscillations sont plus lentes avec une fréquence angulaire réduite, reflétant une raideur moindre.

Ces courbes illustrent bien comment la raideur de l'élastique influence la dynamique du système, affectant la fréquence des oscillations. Un élastique plus rigide réagit plus rapidement, tandis qu'un plus souple montre des oscillations plus étendues dans le temps.

Question : Je vois que la période change, quelle est l'influence de l'élasticité de l'élastique sur la période ?

La période d'oscillation d'un pendule élastique est directement influencée par l'élasticité (ou raideur) de l'élastique utilisé. Cette relation est définie par les propriétés physiques de l'élastique, particulièrement par la constante de raideur du ressort kk et la masse mm suspendue. Voici comment l'élasticité affecte la période d'un pendule élastique :

1. Constante de Raideur (k) : La constante de raideur kk d'un ressort mesure combien le ressort est difficile à étirer ou comprimer. Plus kk est élevé, plus le ressort est rigide.

2. Masse (m) : La masse suspendue au ressort affecte aussi la période des oscillations. Plus la masse est lourde, plus la période des oscillations est longue, car il faut plus de temps pour que le ressort étire ou comprime sous l'effet de cette masse.

3. Formule de la Période : La période TT des oscillations pour un pendule élastique (système masse-ressort) est donnée par la formule :

   T=2π√(m/k)

   
   

   Cette formule montre que la période est proportionnelle à la racine carrée de la masse et inversement proportionnelle à la racine carrée de la constante de raideur.

   • Plus Extensible : Si l'élastique est plus extensible (moins rigide, donc kk plus petit), cela augmente la période des oscillations, car le système est moins prompt à revenir à sa position d'équilibre.

   • Moins Extensible : Si l'élastique est moins extensible (plus rigide, donc kk plus grand), cela diminue la période des oscillations, car le système revient plus rapidement à sa position d'équilibre.

En résumé, plus l'élastique est rigide, plus la période des oscillations est courte, et inversement, plus l'élastique est souple, plus la période est longue. Cette relation est cruciale pour comprendre comment les différents types de ressorts ou d'élastiques influencent le mouvement dans des applications pratiques, comme dans les amortisseurs ou les systèmes de suspension.

Question : Pour pouvoir faire ces calculs seul, peux tu écrire un programme python qui me permet d'entrer les paramètres du modèle et d'obtenir une courbe de l'évolution de l'accélération sur 10 secondes ?

Communication

La rédaction d'un document de recherche est probablement la partie la mieux connue des applications des modèles génératif. L'IA peut aider un élève à rédiger un document de recherche bien structuré, cohérent, et adapté au public visé, en offrant un soutien tout au long du processus d'écriture.

1. Structuration du document

2. Clarté et fluidité

3. Conseils sur l'adaptation au public

4. Rappel des éléments à ne pas oublier

5. Cohérence dans l'argumentation et le raisonnement scientifique

6. Vérification finale et relecture

Liste de questions à ChatGPT

Structuration du document :

• "Peux-tu me proposer une structure complète et logique pour mon document de recherche scientifique ?"

Introduction :

• "Comment puis-je rédiger une introduction claire qui présente mon sujet de recherche et mes hypothèses de départ ?"

Clarté et fluidité :

• "Peux-tu reformuler ce passage pour le rendre plus clair et plus facile à comprendre pour un public de première scientifique ?"

Explication des résultats :

• "Comment puis-je expliquer simplement les résultats de mon expérience tout en restant précis scientifiquement ?"

Adaptation au public :

• "Comment puis-je adapter la complexité de mes explications pour un public d'élèves de première ?"

Discussion des résultats :

• "Quels points dois-je inclure dans la discussion pour bien relier mes résultats à la théorie étudiée ?"

Rappel des éléments importants :

• "Ai-je oublié des étapes importantes dans ma démarche scientifique que je devrais inclure dans le document ?"

Cohérence de l'argumentation :

• "Est-ce que mes hypothèses, mes résultats et ma conclusion sont bien connectés de manière cohérente ?"

Amélioration de la conclusion :

• "Comment puis-je améliorer la conclusion pour qu'elle résume bien mes découvertes et souligne leur importance scientifique ?"

Vérification finale et relecture :

• "Peux-tu relire l'ensemble du document pour corriger les fautes et améliorer le style ?"

Partage

Les élèves seront probablement intéressés par un autre aspect de la recherche qui est sa diffusion. L'IA peut grandement faciliter la diffusion d'un document de recherche et optimiser sa visibilité en ligne grâce à des techniques de SEO (Search Engine Optimization).

L'IA pourra guider l'élève pour ces différentes tâches :

1. Optimisation SEO : L'IA suggère des mots-clés pertinents, rédige des balises titre et méta-descriptions optimisées, et vérifie la densité des mots-clés pour améliorer le référencement sur Google.

2. Création de titres et sous-titres : Elle reformule les titres et sous-titres pour les rendre plus accrocheurs et optimisés pour le SEO.

3. Rédaction de résumés : L'IA produit des résumés percutants et adaptés pour les réseaux sociaux ou newsletters, attirant ainsi les lecteurs.

4. Contenus pour réseaux sociaux : Elle génère des posts spécifiques pour chaque plateforme (Twitter, LinkedIn, Facebook), assurant une diffusion optimale.

Cette partie du travail permet également à l'élève de réfléchir sur la manière dont les moteurs de recherche donnent leurs réponses.

Liste de question à ChatGPT

Recherche sur Google :

• "Comment est ce que Google choisit quels sites afficher à la suite d'une question ?"

• "Comment améliorer la visibilité en ligne de mon article sur Google ?"

Choix des mots-clés pertinents :

• "Quels mots-clés devrais-je utiliser pour optimiser mon article sur les moteurs de recherche ?"

Optimisation des balises SEO :

• "Peux-tu proposer une balise titre (moins 70 caractères )et une méta-description (moins de 300 caractères) pour mon article ?"

• "Comment rédiger une bonne méta-description pour que mon article attire plus de clics sur Google ?"

Création de titres et sous-titres attractifs :

• "Comment puis-je rendre mes titres plus percutants pour les lecteurs et les moteurs de recherche ?"

Rédaction de résumés et d'abstracts :

• "Comment écrire un résumé qui attire l'attention ?"

Création de contenus pour les réseaux sociaux :

• "Peux-tu rédiger un post pour Twitter et Facebook pour promouvoir mon article ?"

Vérification finale du SEO :

• "Est-ce que mon article est bien optimisé pour apparaître dans les résultats de recherche ?"

Optimisation du contenu pour différents publics :

• "Comment puis-je adapter mon texte pour différents publics ?"

Conclusion

Dans cet article, nous avons proposé une approche à la fois pratique et motivante pour initier les élèves aux vastes possibilités offertes par les modèles génératifs, en intégrant l'intelligence artificielle (IA) dans des Travaux Pratiques (TP) scientifiques.

Bien que partant d'une expérience et de données réalisées par nos équipes, le dialogue entre l'élève et l'IA est imaginaire. Nous encourageons les enseignants à conduire leur propre investigation en réalisant cette expérience en classe.

Nous sommes ouverts à vos retours sur cette expérience. L'IA ne doit pas être vue comme une solution ni comme une panacée ni comme une menace, mais plutôt comme un catalyseur de réflexion et d'innovation. Elle aide les élèves non seulement à maîtriser les sciences, mais aussi à développer des compétences numériques essentielles pour le XXIe siècle. Le défi consiste désormais à trouver un équilibre entre l'exploitation de cette technologie prometteuse et le maintien de l'autonomie intellectuelle des apprenants, afin de former des esprits critiques capables d'utiliser ces outils de manière éclairée et responsable.