1, 2, 3, codez ! - Activités cycle 4 - Projet (EPI) « Conception et programmation d'un synthétiseur »

Le but de cet EPI (« Enseignement pratique interdisciplinaire », dispositif introduit par les programmes entrés en vigueur en septembre 2016) est la conception, puis la programmation d’un synthétiseur musical, ce qui fera appel à des notions en musique (sur les instruments et les partitions), en physique/chimie (sur le son), en mathématiques (sur les gammes et la programmation) et en technologie (pour la fabrication proprement dite).
Ce travail réalisé sur le son s’axe principalement sur la représentation de l’information. On peut mener un travail similaire avec d’autres signaux (par exemple, pour une image : pixellisation, résolution, compression, vectorisation…). La représentation de l’information est  en effet une des principales branches des sciences informatiques.

Disciplines concernées et lien avec les programmes

Le référent de ce projet EPI est préférentiellement le professeur de mathématiques. Les professeurs de physique-chimie et musique mènent à tour de rôle quelques séances au fil du déroulement. Nous proposons également un prolongement permettant d’impliquer le professeur de technologie. À l’image des élèves qui tiennent chacun un cahier de projet, l’équipe enseignante tient un « cahier de suivi » qui permet de passer questions, réponses et documents d’un professeur à l’autre lors des changements de discipline.

Les programmes de 2016 introduisent des notions d’informatique aussi bien en mathématiques qu’en technologie, ainsi que des notions sur le signal en physique/chimie. Ce projet permet d’étudier les points suivants des programmes :

Mathématiques

Au cycle 4, les élèves s’initient à la programmation, en développant dans une démarche de projet quelques programmes simples, sans viser une connaissance experte et exhaustive d’un langage ou d’un logiciel particulier. En créant un programme, ils développent des méthodes de programmation, revisitent les notions de variables et de fonctions sous une forme différente, et s’entraînent au raisonnement.

 Décomposer un problème en sous-problèmes afin de structurer un programme ; reconnaître des schémas.

 Écrire, mettre au point (tester, corriger) et exécuter un programme en réponse à un problème donné.

 Écrire un programme dans lequel des actions sont déclenchées par des événements extérieurs.

 Programmer des scripts se déroulant en parallèle.

  •  Notions d’algorithme et de programme.
  •  Notion de variable informatique.
  •  Déclenchement d’une action par un évènement, séquences d’instructions, boucles, instructions conditionnelles.
  •  Notion de message échangé entre objets.

 Nombres et calculs

  •  Utiliser les nombres pour comparer, calculer et résoudre des problèmes
    •  Fractions, fractions irréductibles, cas particulier des fractions décimales.
    •  Comparer, ranger, encadrer des nombres rationnels.
    •  Repérer et placer un nombre rationnel sur une droite graduée.
  •  Comprendre et utiliser les notions de divisibilité et de nombres premiers
    •  Simplifier une fraction donnée pour la rendre irréductible.

Education musicale

 Écouter, comparer, construire une culture musicale et artistique

  •  Manipuler plusieurs formes de représentation graphique de la musique à l’aide d’outils numériques.
  •  Lexiques du langage musical (timbre et espace, dynamique, temps et rythme, forme, successif et simultané, styles), de l’interprétation et de l’enregistrement pour décrire et commenter la musique.
  •  Notions d’acoustique et de physique du son : notion de Décibel (Db), de compression du son.

Physique Chimie

 Signaux pour observer et communiquer

  •  Signaux sonores
    •  Notion de fréquence : sons audibles, infrasons, ultrasons
  •  Signal et information
    •  Comprendre que l’utilisation du son et de la lumière permet d’émettre, de transporter un signal donc une information

Technologie

 La modélisation et la simulation des objets et systèmes techniques

  •  Analyser le fonctionnement et la structure d’un objet
    •  Décrire, en utilisant les outils et langages de descriptions adaptés, le fonctionnement, la structure et le comportement des objets
  •  Mesurer des grandeurs de manière directe ou indirecte
    •  Nature du signal : analogique ou numérique
      •  Nature d’une information : logique ou numérique

 L’informatique et la programmation

  •  Écrire, mettre au point et exécuter un programme
    •  Écrire un programme dans lequel des actions sont déclenchées par des événements extérieurs.

Objectifs

Selon le temps que la classe peut consacrer au projet, la séquence peut aboutir à la production de différents types de synthétiseur :

  •  virtuel (sous Scratch) ou réel (avec Makey-Makey, ou plus complexe encore avec l’EPI « automatophone » proposé par la Fondation La main à la pâte)
  •  manuel ou automatisé
  •  étalonné sur une gamme précise, ou sur plusieurs à sélectionner (pour mieux les comparer)
     

Notes pédagogiques :

  •  La préparation de cette séquence doit impliquer le professeur de mathématiques, le professeur de musique, celui de physique-chimie et, éventuellement, celui de technologie. Ainsi, le professeur de musique pourra rappeler ce que sont une octave ou une note altérée, tandis que le professeur de mathématiques pourra rappeler ce qu’est une mesure physique ou une fréquence.
  •  Le découpage proposé ici en séances peut prendre des durées variables selon l’expérience des élèves et des enseignants. Cette séquence suit une pédagogie de projet, il convient donc d’interpréter chaque « séance » davantage comme une « étape » que comme une séance de 55 minutes.
  •  Comme dans toute pédagogie de projet, nous préconisons le découpage de la classe en groupes/équipes/îlots de 4 à 6 élèves. Par souci de simplicité, nous n’utiliserons que le vocable « groupe ».

 Nous proposons un repérage du niveau de difficulté, inspiré des pistes de ski :

Piste verte :

Activité facile, réalisable en autonomie.
Piste bleue :

Activité réalisable avec un peu de guidage.
Piste rouge :

Activité qui nécessite soit un guidage récurrent de la part de l’enseignant, soit un groupe d’élèves expérimentés.
Piste noire :

Activité facultative destinée aux élèves particulièrement en avance sur le reste de la classe. Dans le cas contraire, un guidage fort sera nécessaire.

Matériel nécessaire - budget

L’essentiel du projet nécessite du matériel déjà présent dans l’établissement (salle de musique, salle d’informatique). Cependant, certaines séances peuvent être enrichies par l’apport d’un matériel spécifique :

  •  Séance 4 (facultatif)
    •  une boite à musique personnalisable, environ 20€ pièce (si possible, une boîte à musique par groupe)
    •  un lot de 5 pistes vierges, environ 12€ (prévoir une piste par élève)
  •  Séance 8 (prolongement conseillé)
    •  une carte Makey-Makey, environ 60€ unitaire (une par groupe)
       

Résumé des séances

Séance Titre Dominante Résumé

1 Les instruments et  les sons Musique (avec tous les autres professeurs impliqués dans le projet) Après avoir comparé un piano et un synthétiseur, un dictaphone et un enregistreur, les élèves découvrent qu’on peut facilement programmer un synthétiseur avec Scratch. Pour nourrir leur programme, ils doivent commencer par s’intéresser à la caractérisation des sons.

2 Le timbre et les harmoniques Physique-chimie Les élèves découvrent le timbre de sons artificiels. Parmi eux, le signal sinusoïdal ressemble fortement au son du diapason : les élèves s’intéressent alors à la décomposition fréquentielle du timbre de divers instruments.

3 Enregistrer le son Physique-chimie Revenant sur le fonctionnement du dictaphone et enregistreur, les élèves analysent les méthodes qui gouvernent la création de fichiers musicaux WAV ou MP3.

4 Comment décrire une mélodie ? Le langage musical Musique, mathématiques Afin de créer un mode automatique sur leur synthétiseur Scratch, les élèves doivent coucher sur le papier la partition de leur mélodie préférée. C’est l’occasion pour eux de découvrir que l’écriture musicale est un langage à part entière, qui possède des similitudes avec les langages de programmation. Puis ils s’initient à un second langage : le format MIDI.

5 Programmer Mathématiques ou technologie Maintenant qu’ils savent traduire leur partition en langage MIDI, les élèves peuvent enfin programmer leur synthétiseur avec Scratch.

6 (optionnelle)
Construire une gamme
Mathématiques, musique L’écriture d’une partition nécessite de discrétiser des sons (i.e. créer une gamme) : les élèves découvrent que les raisons qui gouvernèrent ces choix furent esthétiques, physiologiques, et mathématiques. Via un tableur, ils calculent eux-mêmes les fréquences de la gamme tempérée. Cette séance est l’occasion de travailler sur la notion d’algorithme.

7 (optionnelle)
Générer ses propres sons
Physique-chimie En utilisant des générateurs de sons sinusoïdaux, les élèves comparent quatre gammes classiques et reconstituent artificiellement le timbre de l’instrument de leur choix.

8 Fabrication d’un prototype avec Makey-Makey Technologie ou mathématiques Les élèves construisent une interface utilisateur différente du clavier et de la souris pour interagir avec leur synthétiseur Scratch. Ils utilisent en particulier la carte Makey-Makey pour gérer les entrées de leur programme.

Scénario conceptuel

 


<< Projet "Domotique avec Arduino" Activités Cycle 4 Projet "robotique avec Thymio" >>

 

 

Partenaires du projet

Pasc@line Educaland Editions Le Pommier