Présentation

Les ingénieurs imaginent et mettent en œuvre des solutions innovantes pour répondre aux besoins des personnes, avec l'ambition de rendre accessible à tous les progrès qu'apportent quotidiennement les sciences et les technologies.

Les enjeux de société sont considérables et se situent à la conjonction d'évolutions rapides et inédites. Par exemple, la transformation et la consommation d'énergie, qui ne font qu'augmenter, s'accompagnent de fortes contraintes de préservation de l'environnement. La densification des métropoles interroge aussi profondément l'organisation de ces nouveaux territoires, notamment la mobilité intra et extra urbaine et l'ensemble des infrastructures associées. Ces évolutions, parmi les plus importantes, imposent d'imaginer des solutions alternatives à celles existantes.

Les ingénieurs, au terme de leur formation, sont capables d'imaginer des solutions innovantes qui ne se limitent pas à la conception des objets réduits à la seule dimension matérielle. Ils proposent des solutions qui associent les dimensions matérielles et numériques, intégrées et complémentaires, non plus pensées successivement et séparément mais de façon simultanée.

Les sciences de l'ingénieur s'intéressent aux objets et aux systèmes artificiels, appelés de façon plus générique « produits ». Cette appellation de « produit » réunit sous un même terme l'objet matériel et son jumeau numérique. Il intègre le programme informatique utile à son fonctionnement et, lorsqu'elle est nécessaire, l'interface homme-machine connectée à un réseau de communication. Ces produits, supports d'activités des élèves au cycle terminal du lycée, répondent à des besoins et définissent des usages. Leurs définitions permettent de qualifier et de quantifier les performances du service attendu.

Ces solutions s'inscrivent dans un contexte fortement contraint par les enjeux sociaux, sociétaux et environnementaux, par la prise de décisions éthiques et responsables.

L'approche en sciences de l'ingénieur mobilise une démarche scientifique reposant sur l'observation, l'élaboration d'hypothèses, la modélisation, la simulation et l'expérimentation matérielle ou virtuelle ainsi que l'analyse critique des résultats obtenus. Il s'agit de comprendre et de décrire les phénomènes mis en œuvre et les lois de comportement associées, pour qualifier et quantifier les performances du produit afin de vérifier si le besoin initialement défini est satisfait.

L'approche design induit l'innovation et questionne les fonctionnalités et les formes d'un produit en lien avec ses usages dans des environnements les plus divers. Elle exploite les possibilités offertes par les technologies du numérique. Les ingénieurs sont alors créateurs d'une réalité virtuelle et matérielle. Ces deux réalités s'enrichissent mutuellement en mobilisant le concept de jumeau numérique.

Avec la contribution des autres enseignements scientifiques, l'objectif de l'enseignement de spécialité de sciences de l'ingénieur du cycle terminal du lycée est de faire acquérir des compétences fondamentales qui permettent aux élèves de poursuivre vers les qualifications d'ingénieur dont notre pays a besoin.

Modalités

Au lycée Montesquieu, l'enseignement de sciences de l'ingénieur est proposé en première et terminale au titre d'un enseignement de spécialité.

L'enseignement de sciences de l'ingénieur intègre des contenus propres aux sciences physiques. De plus, en classe de terminale, les élèves ayant choisi l'enseignement de spécialité sciences de l’ingénieur bénéficient de deux heures de sciences physiques enseignées par un professeur de physique-chimie. Ces deux heures sont dédiées aux aspects fondamentaux de sciences physiques.

La conduite de projet est inhérente à l'activité des ingénieurs, elle est menée en équipe et nécessite de mettre en place des stratégies d'ingénierie collaborative :

  • en classe de première, un projet de 12 heures mené en équipe permet aux élèves d'imaginer et de matérialiser tout ou partie d'une solution originale. Ce projet peut être commun à toutes les équipes d’une même classe ou d'un établissement sous la forme d'un défi.
  • en classe de terminale, un projet de 48 heures conduit en équipe est proposé à tous les élèves. L'objectif est d'imaginer tout ou partie d'un produit, développé sous forme de réalisations numérique et matérielle en vue de répondre à un besoin et d'obtenir des performances clairement définies. Ces réalisations matérialisent out ou partie d'une solution imaginée associée à un modèle numérique. Elles permettent de simuler et de mesurer expérimentalement des performances et de les valider. Une partie de programmation est nécessairement associée au projet. Elle peut prendre la forme d'une application qui installe le produit dans un environnement communicant.

Parmi les productions attendues, chaque équipe rédige obligatoirement une note interdisciplinaire. Limitée à quelques pages, cette note développe un point des programmes du cycle terminal d'enseignement de sciences physiques et de l'autre enseignement de spécialité, en montrant comment les notions liées à ces disciplines sont mobilisées dans le projet. Ce dernier sert de support aux élèves qui choisissent les sciences de l'ingénieur pour soutenir l'épreuve orale terminale. Pour mener à bien ce projet, les élèves disposent d'outils de prototypage accessibles dans des laboratoires de type laboratoire de fabrication (ou Fablab, espace partagé d'échanges, de recherche et de fabrication, doté d'outils numériques et technologiques), mettant à disposition l'ensemble des ressources matérielles et numériques nécessaires.

Programme

L'enseignement de sciences de l'ingénieur mobilise des supports d'enseignement empruntés au monde contemporain. Le programme du cycle terminal est organisé en thématiques représentatives de problématiques actuelles permettant d'illustrer les enseignements dans toutes leurs modalités pédagogiques (par exemple, « les territoires et les produits intelligents, la mobilité des personnes et des biens », « l'homme assisté, réparé, augmenté », « le design responsable et le prototypage de produits innovants »…).

Classe de première

1. Créer des produits innovants

  • Rompre avec l'existant, améliorer l'existant.
  • Imaginer une solution originale, appropriée et esthétique.

2. Analyser les produits existants pour appréhender leur complexité

  • Analyser le besoin, l'organisation matérielle et fonctionnelle d'un produit par une démarche d'ingénierie système.
  • Caractériser la puissance et l'énergie nécessaire au fonctionnement d'un produit ou d'un système ; repérer les échanges d'énergie sur un diagramme structurel.
  • Analyser les principaux protocoles pour un réseau de communication et les supports matériels.
  • Quantifier les écarts de performances entre les valeurs attendues, les valeurs mesurées et les valeurs obtenues par simulation.

3. Modéliser les produits pour prévoir leurs performances

  • Proposer et justifier des hypothèses ou simplifications en vue d'une modélisation.
  • Caractériser les grandeurs physiques en entrées/sorties d'un modèle multi-physique traduisant la transmission de puissance.
  • Associer un modèle aux composants d'une chaîne de puissance.
  • Traduire le comportement attendu ou observé d'un objet.
  • Modéliser sous une forme graphique une structure, un mécanisme ou un circuit.
  • Modéliser les mouvements ; modéliser les actions mécaniques.
  • Caractériser les échanges d'informations.
  • Associer un modèle à un système asservi.
  • Déterminer les grandeurs flux (courant) et effort (tension) dans un circuit électrique.
  • Déterminer les grandeurs géométriques et cinématiques d'un mécanisme.

4. Valider les performances d'un produit par les expérimentations et les simulations numériques

  • Prévoir l'ordre de grandeur de la mesure.
  • Relever les grandeurs caractéristiques d'un protocole de communication.

5. S'informer, choisir, produire de l'information pour communiquer au sein d'une équipe ou avec des intervenants extérieurs

  • Rendre compte de résultats.
  • Collecter et extraire des données ; comparer, traiter, organiser et synthétiser les informations pertinentes.
  • Développer des tutoriels, établir une communication à distance.
  • Travailler de manière collaborative ; trouver un tiers expert ; collaborer en direct ou sur une plateforme, via un espace de fichiers partagés.
  • Adapter sa communication au public visé et sélectionner les informations à transmettre ; scénariser un document suivant le public visé.

Classe de terminale

1. Créer des produits innovants

  • Élaborer une démarche globale d'innovation.
  • Représenter une solution originale.
  • Matérialiser une solution virtuelle.
  • Évaluer une solution.

2. Analyser les produits existants pour appréhender leur complexité

  • Analyser la réversibilité d'un élément de la chaîne de puissance.
  • Analyser le traitement de l'information.
  • Analyser le comportement d'un objet à partir d'une description à événements discrets.
  • Analyser et caractériser les échanges d'information d'un système avec un réseau de communication.
  • Analyser les principes de modulation et démodulation numériques.
  • Analyser le comportement d'un système asservi.
  • Analyser les charges appliquées à un ouvrage ou une structure.
  • Analyser des résultats d'expérimentation et de simulation.
  • Rechercher et proposer des causes aux écarts de performances constatés.
  • Valider les modèles établis pour décrire le comportement d'un objet.

3. Modéliser les produits pour prévoir leurs performances

  • Traduire un algorithme en un programme exécutable.
  • Associer un modèle à un système asservi.
  • Utiliser les lois et relations entre les grandeurs effort et flux pour élaborer un modèle de connaissance.
  • Déterminer les actions mécaniques (inconnues statiques de liaisons ou action mécanique extérieure) menant à l'équilibre statique d'un mécanisme, d'un ouvrage ou d'une structure.
  • Déterminer la grandeur flux (vitesse linéaire ou angulaire) lorsque les actions mécaniques sont imposées.
  • Déterminer la grandeur effort (force ou couple) lorsque le mouvement souhaité est imposé.
  • Quantifier les performances d'un objet réel ou imaginé en résolvant les équations qui décrivent le fonctionnement théorique.

4. Valider les performances d'un produit par les expérimentations et les simulations numériques

  • Proposer et justifier un protocole expérimental.
  • Instrumenter tout ou partie d'un produit en vue de mesurer les performances.
  • Mettre en œuvre une communication entre objets dits intelligents.
  • Modifier les paramètres influents et le programme de commande en vue d'optimiser les performances du produit.
  • Mettre en œuvre une simulation numérique à partir d'un modèle multi-physique pour qualifier et quantifier les performances d'un objet réel ou imaginé.
  • Valider un modèle numérique de l'objet simulé.

5. S'informer, choisir, produire de l'information pour communiquer au sein d'une équipe ou avec des intervenants extérieurs

  • Présenter un protocole, une démarche, une solution en réponse à un besoin.
  • Présenter et formaliser une idée.
  • Documenter un programme informatique.
  • Communiquer de façon convaincante.