Enseigner la Cinématique avec l'Analyse Vidéo : Un Guide Complet

Dans le paysage éducatif en constante évolution, les éducateurs recherchent continuellement des méthodes innovantes pour transmettre des concepts complexes, en particulier dans des matières comme la physique. L'apprentissage de la cinématique par analyse d'une vidéo est un exemple particulièrement intéressant de technologie innovante qui répond à cette quête. Dans cet article nous découvrons l'apport de cette technologie et les outils que les enseignants peuvent utiliser en classe pour en tirer au mieux partie.

Table des matières :

Un peu d'histoire - Intérêt pédagogique de l'analyse cinématique par vidéo - Quels mouvements analyser ? - Création de vidéos - Pointage et acquisition des données - Analyse des données - Conclusion

1. Un peu d'histoire

L'analyse cinématique par vidéo, ou analyse vidéo des mouvements, consiste en l'étude de séquences vidéos avec un outil digital, pour en extraire les positions d'un objet, ou d'une personne, lors de son mouvement dans le temps.

Cette méthode d'analyse, développée par certains enseignants dès la fin des années 1980, capitalise sur de nombreux esprits novateurs qui ont utilisé très tôt les technologies de l'image pour étudier le mouvement. Ainsi au 19e siècle par Étienne-Jules Marey révolutionne l'analyse du mouvement chez les animaux, les humains et les objets mécaniques grâce à son fusil photographique, capable de capturer plusieurs images en succession rapide. Eadweard Muybridge, célèbre pour ses études sur le mouvement animal, a utilisé cette technique pour démontrer que les chevaux soulèvent toutes leurs pattes du sol lors du galop, résolvant ainsi une controverse scientifique grâce à la photographie. Plus tard, dans les années 1950 et 1960, Berenice Abbott a utilisé la photographie à haute vitesse et stroboscopique pour illustrer des principes scientifiques, rendant la science plus accessible au grand public avec son projet "Documenting Science". Ses photos sont utilisées encore aujourd’hui pour étudier les chutes d'objets et autres mouvements des corps.

Durant les années 80, grâce au développement de la technologie VHS devenue abordable et accessibles dans les écoles, de nouvelles méthodes pédagogiques ont été développées. Celles-ci impliquaient de filmer les mouvements d'objets, permettant aux étudiants d'analyser ces mouvements image par image en mettant en pause et en avançant les images sur un lecteur VHS, en marquant les positions sur un calque d'écran pour calculer les vitesses et les accélérations. Malgré l'enthousiasme initial et l'implication des étudiants dans la capture de divers mouvements, la technologique se révéla néanmoins insuffisante. Le résultat était des vidéos floues manquant de la précision nécessaire pour une analyse détaillée du mouvement. Ainsi, malgré le succès historique de techniques comme la chronophotographie, la technologie vidéo disponible dans les années 1990 n'était pas encore assez sophistiquée pour répondre aux aspirations éducatives de cette approche d'enseignement innovante.

Aujourd'hui, grâce à la technologie moderne des mobiles, chaque étudiant a la capacité, non seulement de réaliser de vidéos de grande qualité des mouvements, mais également d'analyser ces vidéos avec des outils de pointage et d'analyse sophistiqués sur ordinateur, tablette ou smartphone. Un nouveau paradigme pour l'enseignement de la mécanique !

2. Intérêt pédagogique de l'analyse cinématique par vidéo

Le principal intérêt pédagogique de l'analyse cinématique par vidéo réside dans la capacité de l'élève à mener de bout en bout une analyse de qualité avec les outils qu'il ou elle a dans sa poche, à l'image de ce que pourrait faire un chercheur. Chaque étape de l'étude, que ce soit le choix du sujet, la production de la vidéo, le pointage ou l'analyse des données, présente une opportunité pédagogique unique et donnera lieu à des échanges passionnants avec les élèves.

La réalisation d'une analyse cinématique se fait en quatre étapes :

• Sélection de la situation à étudier

• Création de la vidéo à analyser

• Pointage et acquisition des données

• L'analyse des données

Durant la phase de sélection, les élèves vont réfléchir au type d'activité ou de situation qu'ils souhaitent analyser. veulent-ils analyser un aspect spécifique d'un sport ou du mouvement d'un corps ? Ou plutôt cherchent-ils à illustrer un concept physique comme un mouvement uniforme ou accéléré, rectiligne ou circulaire, ou alors étudier la trajectoire ou la dynamique du mouvement ou ses aspects énergétiques ?

Une fois que le sujet a été choisi, les élèves vont filmer le mouvement. Cette réalisation va soulever de nombreuses questions qui ont un intérêt pédagogique évident : comment éviter les problèmes de parallaxe, quelle cadence choisir, comment choisir son échelle, où la positionner ... Toutes ces questions nécessiteront des aller et retours et au final permettra de réaliser un film adéquat pour l'analyse.

Dans un troisième temps les élèves procéder au pointage des positions pour récolter les données du mouvement. Ceci sera réalisé avec des logiciels spécialisés disponibles sur ordinateur, tablette ou smartphone. Il y a quelques années encore les logiciels de pointage n'existaient que sur ordinateur, et n'acceptaient que des formats vidéos . Aujourd'hui des applications gratuites telles que FizziQ sont disponibles qui permettent de réaliser le pointage rapidement sur smartphone et tablette.

Une fois que les données de la trajectoire ont été acquises, l'élève procédera à l'analyse de ces données. Cette analyse peut être faite avec les même logiciels qui ont permis le pointage, mais également, grâce à l'export de données, avec des logiciels spécialisés dans l'analyse de données, ou même avec un tableur.

L'analyse vidéo révolutionne l'enseignement de la physique en offrant une méthode immersive et dynamique qui implique activement les élèves. En utilisant des vidéos du monde réel pour capturer et analyser le mouvement, elle rend les concepts physiques directement observables et faciles à comprendre, établissant un pont solide entre théorie et pratique. Grâce à des logiciels précis, les élèves peuvent mesurer des aspects cinématiques de manière interactive, favorisant à la fois l'apprentissage individuel et collaboratif. Cette technique encourage la discussion, le travail en groupe et permet une vérification immédiate des hypothèses, améliorant ainsi la compréhension des principes physiques.

3. Activités à étudier

La physique, ce n’est pas uniquement l'étude des trous noirs et de la mécanique quantique. Certes ces sujets sont toujours inspirants car ils permettent de mieux nous faire comprendre la complexité de notre monde, de relier l'infiniment grand à l'infiniment petit, de mesurer le chemin parcouru par la science. Mais la physique c'est également, la compréhension des phénomènes de la vie courante qui eux aussi recèlent de secrets que l'on découvre avec étonnement. Comme nous l'indique Richard Feynman : "La beauté d'une théorie réside dans sa simplicité et sa généralité. Si une théorie est simple et générale, elle est belle, même si elle ne décrit que des phénomènes ordinaires.". L'étude de la mécanique par analyse vidéo sur smartphone permet ainsi aux élèves d'étudier ces phénomènes qu'ils rencontrent dans la vie de tous les jours, et qui sont remplis de mystère et de merveilles.

Quels phénomènes étudier ? Tout dépend si l'on choisi une approche thématique ou une approche conceptuelle.

Dans le cadre d'une approche thématique, l'un des thèmes les plus intéressants à étudier est la physique du sport. Le corps humain est un fantastique terrain de jeu et le sport est la quintessence de son développement. Le mélange de l'étude de la physique et du sport parle à la plupart des élèves car chacun à un sport ou une activité favorite. Chaque sport recèle de sujets d'études passionnants, comme le montre l'inventaire des activités lauréates lors du concours de la Société Française de Physique qui a porté sur "Physique et Sports". Plus de 100 classes ont fait preuve d'une imagination débordantes pour étudier la physique du sport en utilisant l'application gratuite FizziQ, et ont étudié plus de 30 types de sports différents comme le kayak, le handball, le lancer de poids, la voile, la gymnastique, l'équitation, les passes au rugby, le déplacement des joueurs sur un entrain de foot, le lancer de javelot en paralytique, etc ...

Vous trouverez dans notre article 15 activités inspirantes qui peuvent être réalisées en classe.

L'étude cinématique par vidéo permet également à l'enseignant d'illustrer des concepts physique par l'étude de vidéos illustrant spécifiquement un mouvement. Voici par exemple des exemples de vidéos qui pourront être utilisés et les concepts qui s'y attachent :

• Mouvement uniforme : Vélo, personne marchant, balle lancée sur le sol. Etude de la trajectoire, calcul de vitesse.

• Chute libre : Objet en chute. Trajectoire, vitesse, accélération, calcul de g, calcul des vecteurs vitesse, frottements.

• Pendule simple : Analyse du mouvement oscillatoire d'un pendule simple. Conservation énergie mécanique, période et longueur de fil, amplitude, vitesse au point bas, calcul des vecteurs vitesse.

• Mouvement parabolique : Objet lancé en l'air. Etude de trajectoire parabolique, portée, hauteur maximale, durée de vol, conservation de l'énergie mécanique.

• Mouvement circulaire uniforme : Objet en mouvement circulaire uniforme, comme une bille attachée à un fil en rotation. Vitesse tangentielle.

• Mouvement d'un ressort : Analyse du mouvement d'un objet attaché à un ressort en oscillation verticale ou horizontale. Mesure de la période, l'amplitude et la constante de raideur du ressort.

• Frottement : Étude l'effet du frottement d'un volant de badminton ou d'un objet glissant sur une surface ou chute d'une goutte dans un liquide. Distance parcourue, vecteur vitesse coefficient de frottement.

• Collision : Etude de collision élastique et non élastique. Energie cinétique des deux objets, détermination dy type de collision.

• Ondes : Observez la propagation d'ondes à la surface de l'eau ou sur une corde tendue. Analyser la vitesse de propagation, la longueur d'onde et la fréquence des ondes.

• Mouvements complexes : mouvements d'athlètes comportant plusieurs séquences comme le saut à la perche. Energie, vitesse, accélération

• Centre d'inertie : Etude d'un objet lancé en rotation. détermination du centre d'inertie

Analyse libre ou illustration de concepts , on voit que l'analyse cinématique par vidéo présente des opportunités immenses pour permettre aux élèves de découvrir et de mieux comprendre la physique du mouvement.

4. La création d'une vidéo à analyser

Contrairement à ce que l'on pourrait croire, la réalisation de la vidéo est la partie la plus difficile et probablement la plus enrichissante pour les élèves. Durant cette réalisation ils vont découvrir tous les éléments qui vont plus tard être importants lors de l'analyse.

Nous avons décrit dans un autre article 7 conseils pour réaliser une bonne vidéo pour l'analyse cinématique et que l'on peut résumé comme suit.

L'usage d'un smartphone, capable de filmer en résolution 720p, est suffisant pour créer des vidéos exploitables, rendant cette technologie accessible à tous les élèves. Pour garantir la précision de l'analyse, il est crucial de stabiliser la caméra, idéalement en utilisant un trépied ou en plaçant l'appareil sur une surface stable, évitant ainsi tout mouvement parasite qui pourrait fausser l'interprétation du mouvement de l'objet filmé.

L'ajout d'une échelle dans le champ de la vidéo est nécessaire pour établir une correspondance entre les dimensions à l'écran et celles dans le monde réel. Cela permet une analyse précise des déplacements et des dimensions des objets en mouvement. Il est aussi important de maintenir une distance constante entre l'objet en mouvement et la caméra pour éviter les distorsions dues à des variations de distance, ce qui peut être géré en se positionnant adéquatement ou en utilisant le zoom de manière judicieuse.

Faciliter le pointage est un autre aspect crucial; l'objet filmé doit être clairement identifiable et contrasté par rapport au fond pour permettre un marquage précis de ses positions successives. Cela peut nécessiter de se rapprocher de l'objet ou d'utiliser un signe distinctif pour faciliter le suivi. Ajuster la cadence de prise de vue en fonction de la vitesse du mouvement est également essentiel pour capturer des images nettes et exploitables, avec une attention particulière à respecter l'écart de temps entre les images lors de l'analyse.

Enfin, vérifier le cadrage avant de commencer à enregistrer assure que toute la séquence de mouvement souhaitée soit incluse dans la vidéo, permettant ainsi une analyse détaillée du début à la fin. Ces pratiques optimisent l'utilisation de vidéos cinématiques pour l'étude de la physique, rendant l'apprentissage plus interactif, précis et engageant pour les élèves.

5. Pointage et acquisition des données

Une fois que l'on a réalisé la vidéo, il faut l'analyser pour faire les mesures sur les phénomènes physiques que l'on souhaite étudier. Pour cela on utilise un logiciel de pointage. Ce logiciel aura plusieurs fonction :

• La mise à l'échelle qui permet de faire un correspondance entre l'échelle de l'écran et la taille dans le monde réelle.

• Le pointage du mouvement image par image

• Le calcul des positions et de ses dérivés à partir du pointage et de l'échelle

• L'export des données

Il existe de nombreux logiciels disponibles pour faire cette analyse sur ordinateur, sur tablette ou sur smartphone. Certains de ces logiciels sont gratuits et d'autres payants.

Pour les ordinateurs les logiciels les plus utilisés sont :

1. Tracker : Tracker est un logiciel libre et open-source qui combine analyse vidéo et modélisation. Il permet aux utilisateurs d'analyser et de comparer les mouvements à partir de vidéos.

2. Logger Pro : Développé par Vernier, Logger Pro intègre l'analyse de vidéos à une suite d'outils de collecte et d'analyse de données scientifiques. Bien qu'il soit payant, Logger Pro est largement utilisé dans les établissements scolaires pour son interface intuitive et ses nombreuses fonctionnalités.

3. PhysMo : PhysMo est un logiciel d'analyse vidéo open-source spécifiquement conçu pour les besoins éducatifs. Il permet d'analyser le mouvement dans les vidéos enregistrées à l'aide de n'importe quelle caméra standard.

Pour les tablettes, smartphones et Chromebook, on utilise en général deux applications :

1. FizziQ : Une application gratuite disponible sur smartphone et tablette qui permet le pointage, la calcul des positions, vitesse, accélération, énergie et rotation des mobiles ainsi que l'analyse des données dans un cahier d'expérience et leur export au format Excel et Python. Fizziq dispose également d'une bibliothèque de plus de 30 vidéos accessible gratuitement.

2. Vernier Video Physics : Disponible sur iOS, cette application payante permet de créer des diagrammes de mouvement à partir de vidéos prises avec le smartphone.

L'utilisation sur smartphone et tablette pour l'analyse cinématique est particulièrement intéressante pour plusieurs raisons : d'abord car les vidéos créées par les étudiants sont la plupart du temps dans leur smartphones ou tablettes, ensuite car l'analyse est particulièrement rapide à réaliser et ne nécessite pas l'utilisation d'un appareillage long à mettre en route ou pas toujours disponible, enfin car elle familiarise les élèves avec les nombreuses possibilités des outils digitaux qu'ils utilisent.

6. Analyse des données

Après l'étape de pointage et d'acquisition des données vient la phase finale d'analyse des données. A partir des données de position on peut calculer l'ensemble des éléments caractéristiques de la physique du mouvement : vitesse, accélération, rotation, énergie cinétique et énergie potentielle. Ces mesures permettront de caractériser les phénomènes en jeux et de vérifier par la théorie par le calcul expérimental.

Durant ce processus, on prêtera une attention particulière à la modélisation ou ajustement des données (en anglais fitting). En effet les données issues de l'analyse cinématique par vidéo peuvent présenter des variations dues aux erreurs de pointage et l'ajustement est une étape essentielle pour obtenir des données utilisables. Dans l'application FizziQ par exemple, les données de position sont ajustées pour le calcul des vitesse et des accélération par ajustement quadratique. De plus les graphiques du cahier d'expériences peuvent également être modélisés avec un ajustement quadratique ou linéaire.

Outre les calculs de trajectoire, de vitesse ou d'accélération, les données précises des trajectoires permettent d'étudier un grand nombre de phénomènes physiques comme le calcul de g, l'analyse des frottements, la conservation énergie mécanique, la portée d'un vol parabolique, l'accélération tangentielle, l'amplitude et la constante de raideur du ressort, les types de collision, le centre de gravité, ...

La plupart des logiciels de pointage permettent l'export des données, ce qui permet d'étudier les données avec un logiciel d'analyse spécialisé ou par exemple avec Excel. A noter que l'application FizziQ permet aussi de faire des exports en format ligne Python, ce qui simplifie notablement l'utilisation pour les élèves.

Conclusion

L'analyse du mouvement vidéo n'est pas seulement une nouvelle approche de l'étude de la physique : c'est un outil pédagogique puissant qui résonne avec les sensibilités d'apprentissage de l'ère numérique. En combinant théorie et pratique et en fournissant une plate-forme interactive d'exploration et d'analyse, il approfondit la compréhension et l'appréciation des étudiants de la danse complexe des forces et du mouvement qui régissent notre univers.

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