Ton projet de terminale repose sur une idée : chaque performance promise dans le cahier des charges est chiffrée, prévue par une simulation, puis mesurée sur le prototype, et la soutenance finale compare ces trois valeurs. « Le chariot doit être rapide » ne se vérifie pas ; « le chariot parcourt 2 m en 4 s au plus » se vérifie au chronomètre.
Les 48 heures, étape par étape
Le programme de sciences de l'ingénieur fixe le cadre : un projet de 48 heures, en équipe, pour imaginer tout ou partie d'un produit qui répond à un besoin avec des performances clairement définies. Il impose aussi deux choses : une partie de programmation, et une note interdisciplinaire de quelques pages par équipe, qui développe un point des programmes de sciences physiques et de ton autre spécialité en montrant comment il sert dans le projet.
Eduscol propose ce découpage, à titre indicatif :
| Étape | Durée | Ce que tu as à la fin |
|---|---|---|
| Analyse du besoin | 6 h | le cahier des charges, les performances visées |
| Recherche d'idées, conception préliminaire | 9 h | le concept retenu, le planning, la répartition des tâches |
| Conception détaillée et simulation, puis prototypage | 20 h | les performances simulées, le prototype, le protocole de test |
| Tests et validation | 12 h | les performances mesurées, les écarts et leurs causes |
| Revue finale | 1 h | le bilan face au cahier des charges |
Des revues de projet jalonnent ces étapes : ton professeur y évalue chacun, tout au long du projet et pas seulement à la fin.
Le cahier des charges : des exigences mesurables
Le besoin, c'est le problème de l'utilisateur, dit sans parler de solution : « nourrir un chat à heure fixe quand personne n'est à la maison ». Le cahier des charges le traduit en exigences, et chacune devra être vérifiée à la fin par une mesure ou un test.
Définition : une exigence dit ce que le produit doit faire, avec un critère (la grandeur mesurée), un niveau (la valeur visée) et une tolérance (l'écart accepté autour du niveau). Dans « le distributeur délivre une dose de 20 g, à 2 g près », le critère est la masse de la dose, le niveau 20 g, la tolérance 2 g.
En SI, on les range dans le diagramme des exigences de SysML, le langage graphique de description des systèmes proposé par le programme. Avec la « bête à cornes », un outil plus ancien d'analyse du besoin, la règle ne change pas : une exigence se chiffre.
Piège classique : écrire une solution à la place d'une exigence. « Le distributeur utilise un moteur pas à pas » est un choix technique : l'écrire dans le cahier des charges, c'est s'interdire de chercher mieux. Une exigence dit quoi et combien, pas avec quoi, sauf si le client impose le composant.
Du modèle numérique au prototype
Avant de fabriquer, tu construis le modèle numérique : la maquette 3D des pièces et un modèle multiphysique, qui réunit dans un même logiciel la mécanique, l'électricité et la commande. Sa simulation prévoit les performances. Si elle montre que le moteur ne fournit pas le couple (l'effort de rotation) nécessaire, tu en changes avant de l'avoir commandé.
Le prototype n'a pas à être un produit fini. Le programme parle de « tout ou partie » d'un produit, eduscol d'un « sous-ensemble fonctionnel » : une partie qui marche et sur laquelle on mesure la performance clé suffit.
Écris le protocole de test avant de mesurer : quelle grandeur tu relèves, et avec quel appareil. Refais chaque essai plusieurs fois et garde la moyenne, car un essai isolé peut être raté.
Mesurer et analyser les écarts
Chaque performance a trois valeurs : attendue (le cahier des charges), simulée (le modèle) et mesurée (le prototype). C'est la démarche de l'ingénieur que décrit le programme : comparer les performances du cahier des charges avec celles mesurées ou simulées.
Formule : pour une valeur $x$ comparée à une valeur de référence $x_{\text{réf}}$,
$$\text{écart absolu} = |x - x_{\text{réf}}|$$ $$\text{écart relatif} = \frac{|x - x_{\text{réf}}|}{|x_{\text{réf}}|}$$
L'écart absolu a l'unité de la grandeur ; l'écart relatif n'en a pas et s'écrit souvent en pourcentage.
Mesure contre cahier des charges : ta solution tient-elle sa promesse ? Mesure contre simulation : ton modèle décrit-il bien le réel ? Un gros écart avec la simulation n'est pas un échec : un frottement oublié ou une masse sous-estimée te disent quoi corriger.
Piège classique : l'écart relatif dépend de la valeur par laquelle tu divises. Un écart de 1 s fait 20 % rapporté à 5 s, mais 25 % rapporté à 4 s. Pour juger ta solution, la référence est le cahier des charges ; pour juger ton modèle, c'est la mesure, puisque le réel fait foi. Écris toujours ta référence.
La revue finale et le Grand oral
La soutenance du projet, c'est la revue de projet finale : environ une heure dans le découpage d'eduscol, pour faire le bilan des performances obtenues face au cahier des charges. Montre un tableau qui donne, pour chaque exigence, les valeurs attendue, simulée et mesurée, avec l'écart. Explique ensuite ta part du travail, et une solution abandonnée avec la raison de l'abandon.
Le programme attend une communication convaincante : voix posée, expression claire, temps tenu. Répète au moins une fois, chronomètre en main.
Conseil : tiens un carnet de bord, comme le propose eduscol : à chaque séance, ce que tu as fait et ce que l'équipe a décidé. Le jour de la revue, ta contribution personnelle est déjà écrite.
Piège classique : le programme fait de ce projet le support de ton Grand oral, mais eduscol précise que le Grand oral n'est pas sa soutenance. La question que tu en tires porte sur le pourquoi (l'enjeu de société), pas sur le comment technique : « peut-on confier à une machine le soin d'un animal ? » plutôt que « comment ai-je programmé le capteur ? ». Choisis-la pendant le projet, pas dès le début.
Exercices corrigés
Les données sont fictives. Cherche chaque exercice sur ta feuille avant d'ouvrir la correction.
Exercice 1 : Pour un distributeur de croquettes, une équipe a écrit trois lignes de cahier des charges.
a) « Le distributeur doit être silencieux. »
b) « Il délivre chaque dose en moins de 10 s. »
c) « Il utilise un moteur pas à pas. »
Laquelle est une exigence vérifiable ? Que faire des deux autres ?
Correction :
b) est vérifiable : critère la durée de distribution, niveau 10 s au plus. Un chronomètre suffit.
a) n'a ni critère ni niveau. On peut écrire : « niveau sonore inférieur à 40 décibels (dB), mesuré à 1 m pendant la distribution », à vérifier au sonomètre.
c) est une solution, pas une exigence : elle sort du cahier des charges, sauf si le client impose ce moteur. Le choix du moteur se fait à la conception, justifié par la simulation.
Exercice 2 : Une lampe autonome doit tenir au moins 4 h. Sa batterie a une capacité de 2 200 mAh, et l'ensemble consomme un courant moyen de 0,45 A. D'après le calcul, l'exigence est-elle tenue ?
Correction :
La capacité est la charge électrique que la batterie peut fournir : $Q = I \times t$, donc $t = \dfrac{Q}{I}$.
On convertit : $2\,200 \text{ mAh} = 2{,}2 \text{ Ah}$, puis $t = \dfrac{2{,}2 \text{ Ah}}{0{,}45 \text{ A}} \approx 4{,}9 \text{ h}$.
Comme $4{,}9 \text{ h} \geqslant 4 \text{ h}$, l'exigence est tenue sur le papier, à confirmer par une mesure sur le prototype. Sans la conversion, on trouve près de 4 900 heures : un résultat absurde qui signale l'oubli.
Exercice 3 : Exigence : le chariot parcourt 2,0 m en 4,0 s au plus. La simulation donne 3,6 s ; la moyenne de cinq essais sur le prototype donne 4,3 s.
1. L'exigence est-elle satisfaite ?
2. Calcule l'écart relatif qui juge la solution, puis celui qui juge le modèle.
3. Propose deux causes possibles de l'écart entre simulation et mesure.
Correction :
1. Non, car $4{,}3 \text{ s} > 4{,}0 \text{ s}$.
2. Pour la solution, la référence est le cahier des charges : $\dfrac{|4{,}3 - 4{,}0|}{4{,}0} = 0{,}075$, soit 7,5 %. Pour le modèle, la référence est la mesure : $\dfrac{|3{,}6 - 4{,}3|}{4{,}3} \approx 0{,}16$, soit environ 16 %.
3. Le chariot réel est plus lent que prévu : le modèle est trop optimiste. Il néglige peut-être des frottements, ou utilise une masse plus faible que la masse réelle. On mesure ces valeurs, on corrige le modèle, puis on s'en sert pour tester une piste : moteur plus puissant, chariot allégé.
À retenir
À retenir :
- 48 heures en équipe, avec une partie de programmation et une note interdisciplinaire obligatoires.
- Une exigence a un critère, un niveau et une tolérance : elle dit quoi et combien, pas avec quoi.
- Chaque performance a trois valeurs, attendue, simulée et mesurée ; un écart relatif s'annonce avec sa référence.
- La revue finale fait le bilan face au cahier des charges ; le Grand oral porte sur le pourquoi, pas sur le comment.
Sources
- Programme de sciences de l'ingénieur de première et terminale générales, publié au Bulletin officiel de l'Éducation nationale : texte sur eduscol.
- Eduscol, « Les enseignements de spécialité après les épreuves écrites », sciences de l'ingénieur, terminale, février 2023 : document sur eduscol.