Exemple de projet 3ème "Robot d'exploration de Mars"

Le projet "Robot d'exploration de Mars"

Le projet "Exploration de Mars" est à destination des 3ème et permet de travailler toutes les compétences du CYCLE 4.

Cliquer sur l'image pour agrandir

Le projet consisterait à imaginer et réaliser un prototype de robot multifonctions grâce à ses capteurs et actionneurs pour participer à l'exploration de Mars.

Un cahier des charges préciserait les détails des missions à accomplir pour la conception du robot et la création des algorithmes de fonctionnement.

Grâce au Pack Lego Mindstorms EV3, on donc peut créer le prototype modulaire et programmer le fonctionnement de ce robot.

Exemple en photos d'un prototype réalisé pour expérimentations

Base du prototype (Voir sa construction ici)	Vue complète du robot d'exploration	Vue du capteur de distance et couleur

Vue de la pince ouverte	Vue de la caméra 360° et caméra grand angle	Vue du capteur tactile de recul

Référence au texte officiel et exemples d'exploitations pédagogiques

Exemple de Problème sociétal

La conquête de l'espace n'est qu'à ses débuts, plusieurs planètes du système solaire n'ont pas encore livrées tous leurs secrets, c'est le cas de Mars !

Le projet "Exploration de Mars" permet de développer un robot multifonctions pour explorer davantage Mars et remplir diverses missions.
Ce robot servira à faire progresser les avancées scientifiques et technologiques.

Exemple de vidéo de lancement du problème sociétal

Projet "La conquête de Mars"

Problème sociétal : "Comment développer et programmer un robot d'exploration de Mars capable de remplir différentes missions ?"

Pistes et exemples d'exploitations pédagogiques

Thème 1 - Design, innovation et créaticité

Eléments du programme

Problèmes technologiques

Activités élèves

Ressources

DIC-1-Imaginer des solutions en réponse aux besoins, matérialiser une idée en intégrant un dimension design

DIC-1-1- Identifier un besoin (biens matériels ou services) et énoncer un problème technique ; identifier les conditions, contraintes (normes et règlements) et ressources correspondantes, qualifier et quantifier simplement les performances d’un objet technique existant ou à créer.

DIC-1-1-FE1 - Besoin, contraintes, normalisation.
DIC-1-1-FE2 - Principaux éléments d’un cahier des charges.

A quel besoin répond le robot à créer ?

Comment définir les différents aspects du robot ?

Identifier le besoin à partir du cahier des charges

Identifier les contraintes associées au projet

Analyse du cahier des charges partiel

Compléter le cahier des charges partiel en ajoutant des fonctions et caractéristiques

-Lettre de demande de l'ESA

-Cahier des charges partiel

DIC-1-2 - Imaginer, synthétiser et formaliser une procédure, un protocole.

DIC-1-2-FE1 - Outils numériques de présentation.
DIC-1-2-FE2 - Charte graphique.

Comment représenter le déroulement du projet ?

Comment représenter la procédure de montage du robot de base ?

Comment représenter les différentes fonctions de services et solutions du robot ?

Réaliser un planning du projet avec Gantt Project

Réaliser une gamme de réalisation

Réaliser une carte mentale des fonctions et solutions prévisibles avec une carte mentale

Application Gantt Project

Exemple de gamme de fabrication

Application Freemind

Tutoriels d'utilisation

DIC-1-3 - Participer à l’organisation de projets, la définition des rôles, la planification (se projeter et anticiper) et aux revues de projet.

DIC-1-3-FE1 - Organisation d’un groupe de projet, rôle des participants, planning, revue de projets.

Comment organiser le développement du projet ?

Définir les rôles des participants du projet collaboratif

Planifier la réalisation du projet

Exemple de planning ou diagramme pert de projet

DIC-1-4 - Imaginer des solutions pour produire des objets et des éléments de programmes informatiques en réponse au besoin.

DIC-1-4-FE1 - Design.
DIC-1-4-FE2 - Innovation et créativité.
DIC-1-4-FE3 - Veille.
DIC-1-4-FE4 - Représentation de solutions (croquis, schémas, algorithmes).
DIC-1-4-FE5 - Réalité augmentée.
DIC-1-4-FE5 - Objets connectés.

Comment définir le design général du robot ?

Comment identifier l'état de la recherche au niveau de la robotique ?

Comment représenter les idées de formes et fonctionnement du robot ?

Comment représenter le robot sur Mars ?

Comment piloter le robot ?

Comment faire fonctionner les caméras wifi ?

Définir le design du robot autant d'un point de vue fonctionnel qu'esthétique

Réaliser une veille technologique sur la robotique

Représenter le robot en croquis

Réaliser des schémas

Analyser des algorithmes de fonctionnement et rédiger ceux du nouveau robot

Réaliser une infographie du robot sur Mars en réalité augmentée

Identifier le fonctionnement des caméras sans fils et tester leur fonctionnement

Exemples de robots déjà utilisés pour l'exploration

Sites internet sélectionnés sur la veille scientifique et technologique

Vidéos et images de robots

Logiciels de réalité augmentée

Application de photos et vidéo wifi

DIC-1-5 - Organiser, structurer et stocker des ressources numériques.

DIC-1-5-FE1 - Arborescence.

Comment organiser les fichiers numériques servant au développement du projet ?

Structurer les espaces de travail dans le réseau internet et online pour chaque ilot

Stocker tous les fichiers de travail

ENT Argos ou Google Drive

Postes informatiques en réseau

DIC-1-6 - Présenter à l’oral et à l’aide de supports numériques multimédia des solutions techniques au moment des revues de projet.

DIC-1-6-FE1 - Outils numériques de présentation.
DIC-1-6-FE2 - Charte graphique.

Comment présenter l'avancement des travaux sur le projet ?

Réaliser un Prezi ou Padlet ou diaporama du développement du projet pour l'expliquer au cours des revues de projet

Respecter une charte graphique

Représenter ses idées avec FreeMind

Applications Prezi, Padlet, Google Slide, Freemind

Tutoriels

DIC-2-Réaliser, de manière collaborative, le prototype d’un objet communicant

DIC-2-1- Réaliser, de manière collaborative, le prototype d’un objet pour valider une solution.

DIC-1-1-FE1 - Prototypage rapide de structures et de circuits de commande à partir de cartes standard.

Comment expérimenter le fonctionnement des capteurs et actionneurs du robot ?

Comment expérimenter le prototype de robot ?

Expérimenter le fonctionnement de chaque capteur avec la brique programmable EV3 et Scratch

Expérimenter les différentes fonctions techniques en réalisant des prototypes partiels (se déplacer, supporter la caméra 360°, pincer un objet ....)

Cahier des charges

Schémas et plans numériques

Pack Lego Mindstorms EV3

Thème 2 - Les objets techniques, les services et les changements induits dans la société

Eléments du programme	Problèmes technologiques	Activités élèves	Ressources
OTSCIS-1-Comparer et commenter les évolutions des objets et systèmes
OTSCIS-1-1- Regrouper des objets en familles et lignées. OTSCIS-1-1-FE1 - L’évolution des objets. OTSCIS-1-1-FE2 - Impacts sociétaux et environnementaux dus aux objets. OTSCIS-1-1-FE3 - Cycle de vie. OTSCIS-1-1-FE4 - Les règles d’un usage raisonné des objets communicants respectant la propriété intellectuelle et l’intégrité d’autrui.	Comment s'est réalisée l'évolution de la robotique dans le temps ? Comment s'est réalisée la conquête de l'espace ? Pourquoi les robots ont un impact sur la société ? Pourquoi doit-on respecter des règles avec l'usage des robots ou des caméras connectées	Identifier les différents systèmes robotiques dans le temps et leurs dates Identifier les grandes dates de la conquête spatiale Rechercher les règles d'usage des objets connectés, robots, caméras ...	Sites internet sélectionnés ou libre Wikipédia
OTSCIS-1-2- Relier les évolutions technologiques aux inventions et innovations qui marquent des ruptures dans les solutions techniques.	Pourquoi ces évolutions ont eu lieu ? Qu'est ce qui différentie les différents systèmes ?	Identifier les évolutions dans les solutions techniques employées	sites internet images et vidéos de systèmes robotiques
OTSCIS-1-3- Comparer et commenter les évolutions des objets en articulant différents points de vue : fonctionnel, structurel, environnemental, technique, scientifique, social, historique, économique.	Pourquoi et à grâce à quoi se sont réalisées les évolutions des robots ?	Identifier les évolutions du point de vue fonctionnel, structurel, environnemental, technique, scientifique, historique, économique	Sites internet images et vidéos de systèmes robotiques
OTSCIS-1-4- Élaborer un document qui synthétise ces comparaisons et ces commentaires. OTSCIS-1-4-FE1 - Outils numériques de présentation. OTSCIS-1-4-FE2 - Charte graphique.	Comment représenter les évolutions des robots dans le temps ?	Réaliser une frise chronologique de l'évolution des robots Réaliser un diaporama ou un Prézi ou une page web pour présenter les recherches de OTSCIS-1-1, 1-2, 1-3	Application Frisechrono Applications diaporama, Prézi Site web en ligne
OTSCIS-2-Exprimer sa pensée à l’aide d’outils de description adaptés
OTSCIS-2-1- Exprimer sa pensée à l’aide d’outils de description adaptés : croquis, schémas, graphes, diagrammes, tableaux. OTSCIS-2-1-FE1 - Croquis à main levée OTSCIS-2-1-FE2 - Différents schémas OTSCIS-2-1-FE3 - Carte heuristique OTSCIS-2-1-FE4 - Notion d’algorithme	Comment représenter des objets techniques ou ses idées et les décrire ?	Réaliser des croquis d'un robot particulier Réaliser des schémas de fonctionnement des fonctions techniques d'un robot Représenter les solutions utilisées pour le fonctionnement d'un robot avec une carte mentale Représenter l'algorithme de fonctionnement d'un robot	Images et vidéos de robots Logiciel de schématisation et d'algorigramme Application FreeMind Logiciel Scratch
OTSCIS-2-2- Lire, utiliser et produire, à l’aide d’outils de représentation numérique, des choix de solutions sous forme de dessins ou de schémas. OTSCIS-2-2-FE1 - Outils numériques de description des objets techniques.	Comment représenter numériquement la structure d'un robot Lego Mindstorms ? Comment décrire le fonctionnement d'une fonction technique du robot ?	Réaliser ou modifier la structure du robot Légo Mindstorms en numérique Réaliser un programme de pilotage d'une fonction du robot avec Scratch	Logiciel Lego Digital Designer Scratch

Thème 3 - La modélisation et la simulation des objets et systèmes techniques

Eléments du programme

Problèmes technologiques

Activités élèves

Ressources

MSOST-1-Analyser le fonctionnement et la structure d’un objet

MSOST-1-1- Respecter une procédure de travail garantissant un résultat en respectant les règles de sécurité et d’utilisation des outils mis à disposition.

MSOST-1-1-FE1 - Procédures, protocoles.
MSOST-1-1-FE2 - Ergonomie.

Comment mettre en fonctionnement le robot avec l'application de programmation Scratch ?

Comment fabriquer le robot multifonction imaginé ?

Comment définir les commandes de pilotage du robot ?

Comment expérimenter le fonctionnement de chaque actionneur et capteur ?

Réalisation la communication entre le robot et Scratch en suivant une procédure

Réaliser l'assemblage du robot multifonction

Déterminer les commandes du robot pour que ce soit ergonomique à utiliser

Définir un protocole d'expérimentation

Procédure

Poste informatique en réseau et bluetooth

Brique programmable EV3

Pack Lego Mindstorms EV3

Clavier ordinateur

Exemple de protocole d'expérimentation

MSOST-1-2- Associer des solutions techniques à des fonctions.

MSOST-1-2-FE1 - Analyse fonctionnelle systémique.

Comment définir les fonctions techniques du robot ?

Comment définir les solutions techniques du robot ?

A partir du cahier des charges, rechercher les fonctions techniques du robot

Rechercher les solutions techniques pertinentes en regard des fonctions techniques

cahier des charges

Exemples de systèmes robotiques

Tutoriel de recherche des fonctions techniques et solutions techniques à partir du cdc

MSOST-1-3- Analyser le fonctionnement et la structure d’un objet, identifier les entrées et sorties.

MSOST-1-3-FE1 - Représentation fonctionnelle des systèmes
MSOST-1-3-FE2 - Structure des systèmes
MSOST-1-3-FE3 - Chaîne d'énergie
MSOST-1-3-FE4 - Chaîne d'information

Comment devra fonctionner le robot ?

Comment structurer le robot pour son fonctionnement ?

Comment devra circuler l'énergie pour le fonctionnement du robot ?

Comment circuleront les informations pour le fonctionnement du robot ?

Analyser, identifier et représenter la chaine d'énergie

Analyser, identifier et représenter la chaine d'nformation

Identifier la structure générale de fonctionnement et le rôle de chaque composant

Liste des fonctions de la chaine d'information et chaine d'énergie

Exemple de chaine d'information et d'énergie

MSOST-1-4- Identifier le(s) matériaux, les flux d'énergie et d'information sur un objet, et décrire les transformations qui s'opèrent.

MSOST-1-4-FE1 - Familles de matériaux avec leurs principales caractéristiques.
MSOST-1-4-FE2 - Sources d'énergies
MSOST-1-4-FE3 - Chaîne d'énergie
MSOST-1-4-FE4 - Chaîne d'information

Comment choisir les matériaux du robot pour l'exploration de Mars ?

Comment alimenter en énergie le robot d'exploration ?

Comment les sources d'énergies employées seront transformées ?

Même si le prototype sera réalisé en Légo, identifier les matériaux les plus adaptés aux conditions de la mission Mars

Même si le prototype sera réalisé en Légo, identifier les énergies les plus appropriées pour alimenter le robot sur Mars

Identifier les transformations des sources d'énergie

Liste de matériaux et caractéristiques

Conditions physiques de l'espace et du sol martien

Sites internet choisis sur les sources d'énergies et utilisations

MSOST-1-5- Décrire, en utilisant les outils et langages de descriptions adaptés, le fonctionnement, la structure et le comportement des objets.

MSOST-1-5-FE1 - Outils de description d’un fonctionnement, d’une structure et d’un comportement.

Comment décrire la structure du robot ?

Comment décrire le fonctionnement du robot ?

Comment décrire le comportement du robot ?

Représenter (ou modifier à partir d'une base de véhicule roulant) le projet de robot multifonctions avec un logiciel de représentation numérique

Représenter les algorithmes de fonctionnement du robot multifonctions

Réaliser la simulation du fonctionnement de chaque fonction technique du robot avec le logiciel Scratch

Lego Digital Designer

Logiciel Scratch

MSOST-1-6- Mesurer des grandeurs de manière directe ou indirecte.

MSOST-1-6-FE1 - Instruments de mesure usuels.
MSOST-1-6-FE2 - Principe de fonctionnement d'un capteur, d'un codeur, d'un détecteur
MSOST-1-6-FE3 - Nature du signal : analogique ou numérique
MSOST-1-6-FE4 - Nature d'une information : logique ou analogique

Comment fonctionne un capteur, un codeur, un détecteur ?

Comment fonctionnent les actionneurs (moteurs) ?

Comment mesurer le fonctionnement des capteurs et actionneurs du robot multifonction ?

Expérimenter le fonctionnement de chaque actionneur et chaque capteur seul et réaliser une fiche technique précisant chaque principe technique, la nature du signal et la nature de l'information fournis ou reçus

Utilisation des divers instruments de mesure pour observer et comprendre le fonctionnement des capteurs et actionneurs

Capteurs de Mindstorms

Actionneurs de Mindstorms

Logiciel Scratch pour expérimentation

Instruments de mesure, réglet, compas, rapporteur ...

MSOST-1-7- Interpréter des résultats expérimentaux, en tirer une conclusion et la communiquer en argumentant.

MSOST-1-7-FE1 - Notions d’écarts entre les attentes fixées par le cahier des charges et les résultats de l’expérimentation.

Comment se comporte le fonctionnement du robot par rapport au cahier des charges et ses diverses missions ?

A partir des expérimentations du prototype final, observer les écarts entre ce qui est attendu et les résultats de l'expérimentation.

Cahier des charges

Prototype final en fonctionnement

MSOST-2-Utiliser une modélisation et simuler le comportement d’un objet

MSOST-2-1- Utiliser une modélisation pour comprendre, formaliser, partager, construire, investiguer, prouver.

MSOST-2-1-FE1 - Outils de description d’un fonctionnement, d’une structure et d’un comportement.

Comment décrire la structure du robot ?

Comment décrire le fonctionnement du robot ?

Comment décrire le comportement du robot ?

Représenter (ou modifier à partir d'une base de véhicule roulant) le projet de robot multifonctions avec un logiciel de représentation numérique

Représenter les algorithmes de fonctionnement du robot multifonctions

Réaliser la simulation du fonctionnement de chaque fonction technique du robot avec le logiciel Scratch

Lego Digital Designer

Logiciel Scratch

MSOST-2-2- Simuler numériquement la structure et/ ou le comportement d’un objet. Interpréter le comportement de l'objet technique et le communiquer en argumentant.

MSOST-2-2-FE1 - Notion d'écarts entre les attentes fixées par le cahier des charges et les résultats de la simulation.

En simulation, comment se comporte le fonctionnement du robot par rapport au cahier des charges et ses diverses missions ?

A partir des simulations numériques des algorithmes avec Scratch, observer les écarts entre ce qui est attendu et les résultats de la simulation.

Cahier des charges

Simulation du fonctionnement des algorithmes avec Scratch

Thème 4 - Informatique et programmation

Eléments du programme	Problèmes technologiques	Activités élèves	Ressources
IP-1-Comprendre le fonctionnement d’un réseau informatique
IP-1-FE1 - Composants d’un réseau, architecture d’un réseau local, moyens de connexion d’un moyen informatique IP-1-FE2 - Notion de protocole, d’organisation de protocoles en couche, d’algorithme de routage, IP-1-FE3 - Internet	Comment utiliser un ordinateur en réseau pour travailler ? Comment stocker les fichiers et les programmes ? Comment utiliser des logiciels comme Scratch pour programmer ? Comment mettre en fonctionnement des objets connectés ?	Utiliser l'environnement numérique de travail pour créer, modéliser, programmer, élaborer des documents Stocker les fichiers de travail dans l'emplacement prévu du réseau Utiliser des logiciels pour réaliser des présentations, de Utiliser le logiciel Scratch pour programmer le fonctionnement du véhicule Utiliser internet pour effectuer des recherches et en comprendre le fonctionnement Partager des informations et données dans internet	Ilot avec plusieurs postes informatiques Connexion bluetooth, wifi Logiciels de bureautique et de présentation assistée par ordinateur Logiciel Scratch Pack Lego Mindstorms EV3 Logiciel Lego Digital Designer Caméra sans fil (Wifi)
IP-2-Ecrire, mettre au point et exécuter un programme
IP-2-1- Analyser le comportement attendu d’un système réel et décomposer le problème posé en sous-problèmes afin de structurer un programme de commande.	Comment analyser le comportement et les programmes d'un système réel ? Comment définir le fonctionnement d'un robot ? Pourquoi un robot est un système embarqué ? Comment écrire, mettre au point et exécuter les programmes commandant un système réel ? Comment écrire un programme dans lequel des actions sont déclenchées par des événements extérieurs ? Comment réaliser les différentes missions prévues dans le cahier des charges ?	Analyser et définir l'algorithme de fonctionnement d'un robot mobile à partir de l'observation de son fonctionnement Etablir la communication avec l'interface programmable EV3 Définir les caractéristiques d'un système embarqué Identifier les formes et transmissions des signaux reçus ou envoyés pour le fonctionnement des actionneurs et des capteurs Réaliser et tester un algorithme avec Scratch pour télécommander les mouvements du robot avec les actionneurs Mettre au point et tester le programme de rotation des roues du robot en adaptant les variables de vitesse et d'angle de rotation des moteurs. Réaliser et tester des instructions conditionnelles pour télécommander le robot, manipuler la pince Réaliser et tester des séquences d'instructions pour détecter un obstacle, détecter une couleur Réaliser des boucles pour suivre une ligne, circuler automatiquement	Robot minimaliste pour l'analyse Cahier des charges du robot multifonctions à mettre en fonctionnement Ensemble du Pack Lego Mindstorms EV3 avec la brique programmable, les capteurs et les actionneurs Prototype de robot complet à programmer avec tous les capteurs et actionneurs prévus dans le cahier des charges
IP-2-2- Écrire, mettre au point (tester, corriger) et exécuter un programme commandant un système réel et vérifier le comportement attendu.
IP-2-3- Écrire un programme dans lequel des actions sont déclenchées par des événements extérieurs. IP-2-3-FE1 - Notions d’algorithme et de programme. IP-2-3-FE2 - Notion de variable informatique. IP-2-3-FE3 - Déclenchement d’une action par un évènement, séquences d’instructions, boucles, instructions conditionnelles. IP-2-3-FE4 - Systèmes embarqués. IP-2-3-FE5 - Forme et transmission du signal. IP-2-3-FE6 - Capteur, actionneur, interface.

Algorithmes de fonctionnement à partir du cahier des charges

Extraits du cahier des charges "Robot d'exploration de Mars" :

Le robot doit être capable de remplir les missions suivantes :

Se déplacer dans 8 directions en étant télécommandé par un clavier numérique d'ordinateur.
Pour le pilotage, afficher et enregistrer des images sur un écran de tablette à distance grâce à une caméra grand angle wifi.
Se déplacer automatiquement. Le robot contournera les obstacles.
Afficher et enregistrer des images de l'exploration sur un écran de tablette à distance grâce à une caméra 360° wifi.
Lors de l'exploration, détecter la présence d'eau.
Lors de l'exploration, saisir une petite roche ou ramasser de la poussière du sol pour analyse ultérieure.
Lors de ses déplacements, le robot devra détecter les obstacles à l'arrière en cas de recul.
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