Thèmes programme : Thème 1 "Matière, mouvement, énergie, information"
Thème 3 "Les objets techniques en réponse aux besoins des individus et de la société".
Objectifs : Réaliser un projet liant l’éducation au développement durable, (sensibilisation à la préservation de la biodiversité marine et au tri des déchets) et Intelligence Artificielle (IA).
Concevoir une maquette d’éco-pirogue collectrice des déchets plastiques de surface et simulant l’automatisation du tri des déchets à l’aide d’un moteur-trieur « intelligent ».
Comprendre que l’IA peut être une aide au quotidien, qu’elle n’exclue pas l’humain mais le place au contraire au centre des préoccupations.
Notions du programme et compétences travaillées : La réalisation du projet permet d’engager les élèves dans la démarche technologique, et de faire un lien entre différentes thématiques du programme. Les notions du programme et les compétences travaillées durant le projet seront explicitées pour chacune des étapes réalisées.
Prérequis : Les sources et formes d’énergie ont été abordées, avec la différenciation des ressources en énergie selon leur caractère renouvelable ou non renouvelables. Le cycle et les différents états de l’eau ont également été travaillé en amont avec les élèves, qui ont notamment pu découvrir par le visionnage de la vidéo suivante le périple d’une goutte d’eau en Guyane.
Scénario pédagogique : Une animation 3D de Mission Océan est utilisée de manière à faire découvrir aux élèves l’étendue de la pollution plastique dans le monde et ses conséquences sur l’environnement. Les connaissances sur le cycle de l’eau sont remobilisées et mises en relation avec celles apportées par l’animation.
Cette entrée en matière permet de susciter de nombreuses questions chez les élèves et d’expliquer par exemple comment un bouchon de bouteille qui serait jeté par un élève dans le canal situé à proximité du collège pourrait se retrouver dans l’estomac d’une tortue marine.
Problématique : Comment collecter et trier les déchets flottants des fleuves de Guyane avant qu’ils rejoignent l’océan ?
Une autorisation de prise de vue et de diffusion d’image a été signée par les parents des élèves de la classe ayant participé au projet.
1. La pirogue comme moyen de transport sur les eaux des fleuves en Guyane
Problème : Quels sont les paramètres indispensables à la flottabilité d’une pirogue ?
Pour répondre à ce problème, les élèves sont répartis en plusieurs groupes de reporters scientifiques. Chaque groupe devra tester un paramètre différent afin de déterminer comment ce paramètre peut influencer la flottabilité de la pirogue.
Les caractéristiques et le déroulement de cette activité sont explicités dans l’article suivant (cliquez sur le lien).
Suite à cette activité, les élèves ont pu conclure que pour flotter, la pirogue devra être creuse, légère et avoir un grand volume. La coque d’un fruit du palmier « Maripa » a été utilisée pour représenter la coque de l’éco-pirogue, ce matériau ayant la particularité d’être naturellement creux et assez léger. Celle-ci a été récupérée en forêt par l’enseignante, au sentier du Rorota à Rémire-Monjoly. Les élèves l’ont nettoyé et ont pris les mesures de la coque, ses dimensions devront être prise en compte dans la suite du projet.
2. Un tapis roulant pour collecter les déchets des fleuves de Guyane
Problème : Quelles solutions technologiques pour collecter les déchets des fleuves de Guyane en impactant le moins possible l’environnement ?
Une vidéo présentant le Manta est dans un premier temps exploité avec les élèves, de manière à mettre en évidence les différents éléments techniques de ce bateau-usine et les solutions techniques qui ont été choisies pour collecter les déchets, propulser le bateau et l’alimenter en énergie :
Les élèves ont ensuite réalisé le croquis de leur propre pirogue collectrice de déchets des fleuves de Guyane.
L’utilisation d’un tapis roulant collecteur de déchets a été la solution technique privilégiée et choisie par le groupe classe pour la suite du projet.
Déroulez le contenu des deux étapes suivantes pour découvrir comment les élèves ont construit leur tapis roulant collecteur de déchets, et quelles solutions techniques ils ont privilégié pour alimenter le moteur du tapis en impactant le moins possible l’environnement :
⇩ ETAPE 1 : Construire le tapis roulant ⇩
ETAPE 1 : construire le tapis roulant
Description de l’activité :
–Compétences travaillées : suivre un protocole expérimental ; travailler en équipe et réaliser des projets ; développer des documents textuels (compétence 3.1 du domaine 3 (Création de contenu) du référentiel PIX) ; communiquer dans un langage scientifique.
–Temps à consacrer : 1h30 pour la conception de la maquette de tapis roulant ; 1h pour la rédaction de l’article de journal scientifique à l’aide du logiciel de traitement de texte.
–Matériel nécessaire : matériaux de récupération pour la conception du tapis roulant (rouleaux de papier toilette en carton, polystyrène, supports de maintien en bois, tubes en plastiques de vieux stylos, filets) ; pistolet à colle, colle à bois, moteur CC, pile pour tester le fonctionnement du moteur du tapis roulant.
Boîte à outils (PIX) :
La boîte à outils proposée aux élèves permet de leur fournir différentes aides méthodologiques pour rédiger leur article de journal scientifique à l’aide d’un logiciel de traitement de texte (Domaine 3 - compétences 3.1 du référentiel PIX) :
Productions élèves :
Les élèves ayant terminé en avance leur article de journal scientifique peuvent réaliser (de la même que la première activité du projet) un mini-reportage scientifique présentant le fonctionnement de leur tapis roulant collecteur de déchets. Ceci permet à la fois à l’enseignant de gérer les différences de rythmes entre les élèves, et d’accorder du temps aux groupes de travail ayant davantage de difficultés dans la rédaction de leur article de journal scientifique.
⇩ ETAPE 2 : Faire fonctionner le moteur du tapis roulant sans impacter l’environnement⇩
ETAPE 2 : faire fonctionner le moteur du tapis roulant sans impacter l’environnement
Une intervention sur l’énergie solaire et l’électricité a été réalisée auprès des élèves par Monsieur Roland FAYN, chef du Service Transition et Efficacité Énergétique chez EDF en Guyane.
Les élèves ont ainsi pu découvrir :
– Comment l’énergie solaire peut être convertie en électricité.
– Le fonctionnent des cellules photovoltaïques. Une démonstration à partir d’un lampadaire solaire prêté par l’entreprise photovoltaïque SOLAMAZ a également été réalisée par l’intervenant devant les élèves.
– L’utilisation de l’électricité solaire (que fait-on avec l’énergie solaire ? quelles applications ?).
– Les avantages de l’électricité solaire.
L’intervention s’est terminée par un temps d’échange où les élèves ont pu poser toutes leurs questions, dont celles qu’ils avaient préparé en amont.
A l’issu de cette séance, un post-it a été distribué à chaque élève pour y inscrire un élément nouveau qu’ils ont appris grâce à l’intervenant de l’entreprise EDF.
Un petit panneau solaire sera utilisé pour la suite du projet pour produire l’électricité nécessaire au fonctionnement du moteur du tapis roulant collecteur de déchets. Celui-ci est disposé en hauteur au-dessus du tapis roulant, afin de capter la lumière du soleil de manière efficace :
Description de l’activité qui fait suite à l’intervention :
–Thème du programme : Thème 1 « Matière, mouvement, énergie, information ».
–Notions du programme : Ressources en énergie et conversion d’énergie (identifier différentes formes d’énergie ; réaliser expérimentalement un dispositif de conversion d’énergie et en rendre compte par la représentation d’une chaîne d’énergie ; rechercher des informations relatives à différentes ressources en énergie et les différencier selon leur caractère renouvelable ou non) ; Signal et information (mettre en œuvre un circuit électrique à une boucle avec un convertisseur d’énergie = moteur, élément photovoltaïque).
–Compétences travaillées : Lire et exploiter des supports ; communiquer sous différentes formes.
–Temps à consacrer : environ 1h
3. Un robot intelligent pour trier les déchets collectés dans les fleuves
Problème : Comment trier les déchets récoltés par le tapis roulant sans intervention humaine ?
–Thème du programme : Thème 1 « Matière, mouvement, énergie, information » - Signal et information.
–Notions du programme : Transmission de l’information (identifier différents signaux pour transmettre de l’information ; citer quelques applications des signaux pour transmettre de l’information).
Il s’agit aussi d’amener les élèves à mieux appréhender l’environnement technologique dans lequel ils vivent et de les initier à la programmation (en lien avec le thème relatif aux objets techniques).
–Compétences travaillées : suivre un protocole expérimental ; travailler en équipe et réaliser des projets ; adopter un comportement éthique et responsable ; mobiliser des outils numériques (CRCN).
–Matériel nécessaire : PC avec connexion internet (interfaces "Entraînement IA - images" et "Adacraft" de Vittasciences, interface de programmation pour la carte Arduino) ; carte ArduinoUNO ; servomoteur et ses branchements ; carton et pistolet à colle pour la confection des bacs de tri.
Objectif final : Réaliser un programme capable de déterminer dans quel bac de tri mettre le déchet à recycler qui arrive au bout du tapis roulant.
⇩ Hypothèses et découverte de l’IA⇩
Hypothèses et découverte de l’IA
Temps à consacrer : environ 30 min
1) Hypothèses
Les élèves formulent d’abord des hypothèses pour répondre au problème scientifique suivant : comment trier les déchets récoltés par le tapis roulant sans intervention humaine ?
2) Découverte de l’IA
Un exercice interactif (cliquez sur le lien pour y accéder) visant à découvrir le fonctionnement d’un « robot intelligent » nettoyeur des océans est ensuite réalisé par les élèves.
Cette première approche permet à l’élève de comprendre comment programmer et entraîner une IA à identifier des poissons ou des déchets.
⇩ Création et entraînement du modèle d’IA⇩
Création et entraînement du modèle d’IA
Temps à consacrer : environ 1h
L’intelligence artificielle (IA) est ici utilisée pour détecter et trier les déchets qui ont été collectés par le tapis roulant sans faire intervenir un humain dans la chaîne de tri.
Le système d’IA relié au tapis roulant de l’éco-pirogue s’appuie sur l’interface "Intelligence artificielle" de Vittasciences, qui fonctionne sans installation et sur tout support (ordinateur, tablette ou smartphone).
L’élève commence par créer deux catégories de déchets : les déchets plastiques et les déchets organiques (êtres-vivants des fleuves).
Des données doivent être ensuite importées pour créer une banque d’image de déchets à trier. Deux choix s’offrent aux élèves : trouver les images correspondantes au sein d’une banque d’images libre de droits, ou prendre en photos des déchets à recycler.
> Pour créer une banque d’images correspondant aux déchets plastiques, les élèves disposent d’une webcam et de déchets plastiques divers et variés (bouteilles, bouchons, sacs plastiques, …) qu’ils peuvent photographier.
> Pour les matières organiques, aucune consigne n’est imposée aux élèves, plusieurs solutions ont été proposées et testées : certains ont préféré réaliser des croquis (poissons, plantes aquatiques, …) et utiliser la webcam pour les photographier, tandis que d’autres ont pioché dans les jeux de données accessibles directement sur l’interface (banques d’images libres de droit).
Puis il faut entraîner le modèle d’IA. L’élève a alors la possibilité de tester son modèle avec la webcam ou bien en important directement des images de l’ordinateur. La prédiction est actualisée plusieurs fois par seconde. C’est à ce moment-là qu’ils peuvent constater des défaillances de leur modèle et les corriger au besoin.
Une fois entraîné, le modèle d’IA doit être sauvegardé sur l’ordinateur pour être utilisé ultérieurement dans l’interface Adacraft.
Remarque : L’entraînement d’un modèle sur les serveurs de Vittascience nécessite un compte dont la création est gratuite. Cela est également possible sans identification en exportant le modèle au format zip.
Voici la fiche technique fournie aux élèves :
Tutoriel enseignant :
⇩ Programmation du moteur-trieur "intelligent" et fabrication des bacs de tri⇩
Programmation du moteur-trieur "intelligent et fabrication des boîtes de tri
Temps à consacrer : 2 à 3 heures
1) Transfert du modèle d’IA sur Adacraft et prise en main de l’interface
L’interface « Intelligence artificielle » de Vittascience possède une partie « utilisation » qui permet d’utiliser le modèle d’IA précédemment élaboré par les élèves en-dehors de l’interface. Une fois entraîné, le modèle peut ainsi être utilisé dans l’interface Adacraf qui permet d’interragir avec des microcontrôleurs comme une carte arduino.
Avant de programmer leur moteur trieur « intelligent », un exercice de prise en main de l’interface Adacraft est réalisé par les élèves. Un programme est créé pour que le robot d’Adacraft dise le résultat lu par la webcam (déchet plastique ou déchet organique).
Voici la fiche technique fournie aux élèves :
Les élèves constatent que le robot détecte et communique bien la catégorie de déchets qu’il détecte.
En ajoutant une boucle « répéter indéfiniment », le robot fait une nouvelle prédiction chaque seconde.
Tutoriel enseignant :
2) Contrôler le "bras de tri" du servomoteur
Objectif : « piloter » le bras du moteur-trieur (servomoteur) de manière à orienter le déchet détecté par la webcam dans la boîte de tri correspondant à sa catégorie (déchet plastique ou déchet organique).
Matériel nécessaire : PC avec connexion internet (interfaces Adacraft et Arduino de Vittasciences) ; carte arduino ; servomoteur et ses branchements ; webcam.
Le langage Arduino peut être difficile à appréhender pour de jeunes élèves débutant en programmation. Vittasciences possède une interface de programmation pour la carte Arduino qui permet de débuter avec la logique de programmation par bloc.
Celle-ci embarque un simulateur, ce qui permet d’exécuter un programme sans avoir de matériel ! L’enseignante dispose en effet pour ce projet d’uniquement 2 cartes Arduino et de 2 servomoteurs. Le simulateur a ici pour avantage de permettre à tous les groupes de travail de réaliser et exécuter le programme sans le matériel dans un premier temps, puis de l’utiliser dans un second temps avec l’ensemble du groupe classe à partir de leur maquette d’éco-pirogue collectrice de déchets.
Activité élève :
3) Fabrication des bacs de tri
Matériel nécessaire : servomoteur et ses branchements, carton, ciseaux, pistolet à colle.
Le moteur-trieur (servomoteur) est fixé dans une boîte en carton, et deux bacs de tri (déchets plastiques / déchets organiques) sont confectionnées par les élèves. Une trappe est réalisée pour la boîte « déchets organiques » de manière remettre à l’eau les matières organiques piégées par le dispositif.
La webcam est positionnée au-dessus du tapis-roulant de manière à simuler le tri des déchets. En fonction de la catégorie de déchet détectée par la webcam, le moteur-trieur fait pivoter son bras d’un certain angle oriente et oriente le déchet dans la boîte de tri correspondante.
Autrice : Audrey Boisson- Professeur de SVT au collège Lise Ophion (Matoury)
Une autorisation de prise de vue et de diffusion d’image a été signée par les parents des élèves de la classe ayant participé au projet.
Les supports proposés constituent des pistes pour l’enseignement des Sciences et technologie en 6e (Cycle 3). Chaque professeur est libre de s’en emparer et d’exercer sa liberté pédagogique.
