Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Le laboratoire dans la salle de classe

Cet article est paru pour la première fois dans Faire: Volume 41.

Malgré les milliards investis chaque année dans les technologies éducatives dans les écoles, peu d'études de recherche contrôlées peuvent documenter des gains évolutifs en matière d'apprentissage. Les nouvelles technologies ne se traduisent pas automatiquement par un apprentissage amélioré. Les imprimantes 3D de bureau sont désormais devenues assez abordables pour être placées dans des écoles, qui les achètent par milliers, facilitées par des initiatives participatives telles que Donors Choose et Kickstarter.

En 2010, Hod Lipson, directeur du Creative Machines Lab de l'Université Cornell, a invité un groupe d'éducateurs participant au Sommet national sur le leadership technologique à planifier l'introduction des imprimantes 3D dans les écoles. Il a demandé: «Si vous pouviez remonter le temps et introduire des micro-ordinateurs dans les écoles encore une fois, que pourriez-vous faire différemment?

Lipson se demandait: comment peut-on déployer des technologies émergentes pour créer de nouvelles opportunités d’apprentissage efficace et engageant dans les écoles? En tant que professeurs et professeurs à l'Université de Virginie, nous avons répondu en collaborant avec les écoles locales pour créer un laboratoire de conception de la maternelle à la 12e année. Ce devait être un banc d'essai pour développer des programmes basés sur la fabrication numérique, y compris l'impression 3D.

Un étudiant en laboratoire étudie une impression 3D en cours.

Les résultats prometteurs ont abouti à une entreprise commune des systèmes scolaires de Charlottesville et Albemarle et de l’Université de Virginie, créée avec l’aide de subventions de la National Science Foundation, du Commonwealth de Virginie et du gouvernement local. Deux sites de collège, la Buford Engineering Design Academy et la Sutherland Engineering Design Academy, ont été lancés au début de l'année scolaire 2013-2014.

Un aperçu d'une classe d'école de laboratoire révèle que les étudiants travaillent sur des projets en petits groupes, avec des imprimantes 3D placées le long des murs - une pour quatre étudiants. D'autres technologies de fabrication, telles que les découpeuses, les tiroirs de composants microélectroniques, les capteurs, les moteurs et les actionneurs, les stations de soudage, les outils à main et même les découpeuses au laser et les machines à commande numérique, sont facilement disponibles. Les projets des étudiants sont ouverts à tous pour intégrer la conception technique à l'enseignement des sciences.

Les étudiants de Lab School ont utilisé l’impression 3D pour reconstruire le relais télégraphique Morse-Vail.

C’est ici, avec l’aide de conservateurs du Musée national de l’histoire américaine du Smithsonian, que deux élèves de labo, Jenn et Nate, ont reconstruit le télégraphe et le relais Morse-Vail. La description 1845 d’Alfred Vail de l’appareil a été utilisée pour concevoir une version moderne utilisant les technologies de fabrication numérique.

Le travail de fabricants tels que Samuel Morse, Benjamin Franklin, Joseph Henry et Alexander Graham Bell éclaire le processus d'invention et d'innovation. Leurs découvertes séminales sont plus accessibles et plus faciles à comprendre pour les novices que de nombreuses techniques modernes. Les fonctions des systèmes électromécaniques de cette époque ont des composants tangibles qui peuvent être déconstruits et compris. Au cours des premières années de l’office des brevets des États-Unis, la présentation d’un modèle opérationnel comme preuve de concept était requise pour un brevet. Une sélection de ces modèles de brevets est maintenant hébergée dans le Smithsonian.

Modèle de brevet du moteur de 1854 page, brevet américain n ° 10480.

Une reproduction de 1885.

Ainsi, le Smithsonian collabore avec le Lab School pour numériser des inventions clés destinées à de jeunes fabricants comme Jenn et Nate pour le reverse engineering. L’explorateur 3D du Smithsonian (http://3d.si.edu) permet aux étudiants de mesurer chaque angle et même d’analyser des coupes transversales d’objets. Au fur et à mesure que les inventions du Lab School - du télégraphe au tout premier moteur électrique de Charles Page - seront numérisées, le site fournira des fichiers 3D et du matériel de support pour aider les autres écoles à reproduire le processus.

L'objectif n'est pas une réplique physique exacte, mais une réinterprétation du dispositif à l'aide d'une technologie de fabrication moderne. Les numérisations tridimensionnelles des artefacts sont une inspiration pour les propres conceptions des étudiants, leur permettant de créer un produit qui leur est propre.

La reconstruction a aidé Jenn et Nate à comprendre la relation entre science et ingénierie. Ils ont appliqué les principes appris en cours de sciences à la conception du relais télégraphique pour déterminer la quantité de courant nécessaire dans la bobine primaire pour activer le circuit secondaire.

Ils ont apprécié le processus d'exploration et de découverte scientifiques. Ils ont appris, contrairement à ce qu’ils pensaient, qu’il existe de nombreuses choses que les scientifiques ne savent ni ne comprennent. Ils ont constaté que Vail et Morse rencontraient des problèmes parallèles aux leurs, tant en sciences qu'en ingénierie. En sciences: Ni les scientifiques (en 1840) ni les étudiants (en 2014) ne comprenaient pleinement les propriétés de l'électricité. En ingénierie: les inventeurs et les étudiants ont eu du mal à fabriquer un relais fiable avec une connexion à trois points.

Un exemple d'illustration créée avec des autocollants de circuit.

Un groupe pilote d'étudiants de l'école de laboratoire a participé à une académie de conception technique cet été. Les élèves ingénieurs ont découvert les relais télégraphiques, les moteurs à solénoïde et les moteurs linéaires. Les équipes ont été mises au défi de concevoir et de fabriquer un séquenceur de sons électromécanique capable de jouer une mélodie. Les étudiants ont combiné les relais, les solénoïdes et les moteurs linéaires pour créer un séquenceur électromécanique reproduisant les carillons de Big Ben, à Londres, et ont présenté leur invention au Smithsonian. . À l'avenir, des inventions exemplaires seront présentées dans un musée des objets électroniques et mobiles de chaque école.

Ce travail sur les inventions électromécaniques sert de tremplin aux inventions intégrant les technologies modernes. Par exemple, une peinture murale interactive est en cours de conception pour chaque école. Elle comportera des étiquettes autocollantes - des composants électroniques autocollants pour créer des circuits - afin de recréer la machine à musique électromécanique des élèves.

La Lab School a déjà affecté les orientations pédagogiques d'au moins deux étudiants: Jenn a décidé de devenir un ingénieur biomédical et Nate a choisi de se concentrer sur le génie mécanique.

Cependant, le point n'est pas que tous les étudiants devraient choisir des carrières en génie; l'objectif est de s'assurer que tous les étudiants peuvent explorer les technologies de fabrication de bureau. Comme tous les autres outils, ils peuvent être appliqués de multiples façons, qui enrichissent la vie des enfants et rendent l’apprentissage plus attrayant.

Alors que les écoles de laboratoire entrent dans leur deuxième année, des technologies de fabrication avancées sont intégrées à l'ensemble du programme de sciences physiques. Les étudiants créent leurs propres inventions et partagent leurs travaux via FabNet, un réseau d’écoles collaborant dans le but de co-construire de nouvelles méthodes d’enseignement et d’apprentissage dans cet espace partagé.

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