Arduino - enseignement en chimie

Les microcontrôleurs, une évolution numérique pour revisiter la pédagogie autour de la mesure. 

Applications à la chimie

En tant que scientifique, le chimiste ou le biochimiste se doit de disposer, depuis deux siècles, d'outils de mesure pour étudier les transformations de la matière qu'il souhaite réaliser. Or, en l’espace de cinquante ans, la chimie analytique s’est transformée en sciences analytiques, intégrant à coté des réactions chimiques pour l'analyse, les volets instrumentation et métrologie. Toutefois, les instruments d'analyse actuellement disponibles dans les laboratoires apparaissent de plus en plus comme des boites noires qui, quelles que soient leurs conditions d'usage, vont toujours rendre un résultat,...mais malheureusement pas toujours juste ! Alors comment aider les étudiants à mieux appréhender les concepts sous-jacent à la mesure, et ainsi développer les compétences indispensables à une mesure de qualité ?

Balance Lavoisier (Wikimedia commons)

Des articles que nous avons publiés dans l’Actualité Chimique en 2020 proposent de développer des outils pour l’analyse physico-chimique à l’aide de microcontrôleur type Arduino. Ces articles soulignent le très faible coût associé à ces objets (moins de 20 € pour construire plusieurs instruments), et la possibilité de créer puis programmer des objets interactifs autonomes qui serviront à la mesure, tout en mobilisant lors de la création des instruments, de très nombreux concepts fondamentaux permettant de donner du sens à cette mesure.

Si des activités expérimentales conduisant à l’élaboration et à l’usage de ces outils peuvent être proposées dans les établissements de formation en présence des enseignants, ne pourrait-on pas aussi envisager de faire élaborer ces outils et de les faire utiliser dans d’autres lieux, voire même en l’absence d’enseignant, tout en menant une véritable démarche scientifique d’investigation ? Avec des matériels à très faible coût et des produits de la vie courante qui sont aisément disponibles et permettent d’opérer dans des conditions de sécurité où les risques sont minimisés, s’ouvrent de nouvelles opportunités pédagogiques, en présentiel ou à distance !

Kit de base Arduino

L'objectif de ces quelques pages est de présenter des problématiques et des situations qui peuvent être proposées pour certaines dès le collège, depuis l'élaboration d'un instrument jusqu'à sa mise en œuvre, en passant par l'évaluation des incertitudes associées aux mesures réalisées. Toutes les expériences proposées peuvent être réalisées avec des produits du quotidien, disponibles dans les commerces de proximité.

Le contenu des différents onglets : 

• Présentation du matériel (kit de base + photodiode et thermistance dans sonde étanche)

• Mesure d'une température avec un thermistor
• Applications à la calorimétrie (enthalpies de fusion, de dilution, de mélange et de réaction)

• Absorption de la lumière par une solution colorée, lien entre couleur perçue et spectres
• Construction d'une colorimètre et relation de Beer-Lambert
• Application de la colorimétrie à l'étude de la cinétique d'une réaction (oxydation de colorants alimentaires par de l'eau de javel)

• Etalonnage d'un pH-mètre et estimation de l'incertitude sur la valeur retrouvée du pH
• Construction d'un titrateur automatique 

• Moyenne d'un signal (moyenne basée sur un nombre de lectures, moyenne basée sur une durée, moyenne mobile exponentielle)

• Documentation (premiers pas avec un microcontrôleur) 

Les auteurs

Ces pages ont été élaborées suite à de très nombreuses discussions entre Stéphan Guy et Jérôme Randon, tous deux enseignants-chercheurs à l'Université Claude Bernard Lyon respectivement en physique et en chimie.

L'approche présentée a été mise en œuvre auprès d'étudiants en master MEEF parcours physique-chimie, en licence physique-chimie et largement développée avec les étudiants du master Analyse et Contrôle