Dans cet article de blog, nous nous concentrerons sur « Le potentiel et les défis de l'utilisation de l'impression 3D dans l'enseignement des mathématiques aux personnes malvoyantes ».
Présentation de l'impression 3D
L'impression 3D est une technologie qui permet de fabriquer des objets physiques, tangibles, en superposant successivement les données d'un modèle 3D conçu par ordinateur. Cette technologie est considérée comme un moteur essentiel de la troisième révolution industrielle, car elle réduit considérablement les délais de production et permet de créer des produits auparavant impossibles à fabriquer par les méthodes conventionnelles. L'impression 3D devrait trouver des applications dans de nombreux domaines, notamment la production industrielle, mais aussi l'art, l'architecture, le secteur militaire et la médecine. Son potentiel pour l'éducation des personnes malvoyantes a également été mis en évidence. Elle peut notamment servir à produire du matériel pédagogique tactile adapté à leurs besoins.
L'impression 3D comprend trois étapes principales : la modélisation, le découpage et l'impression. La modélisation consiste d'abord à générer les données 3D nécessaires à l'impression. Deux méthodes de modélisation sont possibles : la numérisation d'un objet à l'aide d'un scanner 3D ou la création directe d'un modèle avec un logiciel 3D. Le créateur doit ensuite générer un fichier STL. Le format STL (Surface Tessellation Language) est un format de fichier créé pour standardiser les formats de données 3D existants ; il se caractérise par la représentation de la surface d'un objet 3D à l'aide de nombreuses faces triangulaires.
Cependant, les imprimantes 3D ne peuvent pas reconnaître directement les fichiers STL générés de cette manière. Il est donc nécessaire de convertir le fichier STL dans un format compatible avec l'imprimante 3D. Le logiciel qui effectue cette conversion est appelé logiciel de découpe, et le fichier qu'il génère est appelé G-code. L'imprimante 3D utilise ce G-code pour produire l'objet imprimé.
La principale caractéristique de l'impression 3D est son caractère additif : contrairement aux méthodes de fabrication traditionnelles, elle construit le produit par dépôt de matière couche par couche. Parmi les techniques de fabrication additive les plus représentatives, on trouve le frittage sélectif par laser (SLS), développé avec succès par 3D Systems (fondée par Chuck Hull aux États-Unis en 1986), et le dépôt de fil fondu (FDM), breveté en 1989 par Scott Crump, fondateur de Stratasys. Le SLS et le FDM sont les deux méthodes de fabrication actuellement utilisées par la plupart des imprimantes 3D disponibles sur le marché.
Tout d'abord, une imprimante 3D SLS projette sélectivement un laser sur de la poudre étalée sur le plateau de construction afin de fritter, ou fusionner, les particules entre elles. Le SLS est un procédé qui consiste à construire des couches successives en répétant cette étape. La méthode FDM est encore plus répandue ; elle consiste à alimenter une buse avec un matériau thermoplastique (un matériau qui se ramollit à la chaleur, généralement du plastique) sous forme de filament fin et à l'extruder couche par couche, un peu comme pour le filage. Le SLS et le FDM sont déjà les méthodes les plus courantes en impression 3D, et avec l'expiration récente des brevets associés, on s'attend à ce qu'elles conquièrent une part de marché encore plus importante à l'avenir.
Applications en didactique des mathématiques pour les personnes malvoyantes
L'impression 3D, qui a ouvert de nouvelles perspectives dans le secteur manufacturier grâce à l'adoption des méthodes de fabrication additive, recèle un grand potentiel d'application dans divers domaines. Bien qu'elle semble applicable à la plupart des industries existantes, cette section se concentrera sur son utilisation dans le domaine relativement peu exploré de l'éducation : plus précisément, l'enseignement des mathématiques aux personnes malvoyantes.
De manière générale, l'enseignement des mathématiques aux personnes malvoyantes se heurte souvent à des difficultés importantes. Ces difficultés sont particulièrement marquées dans les domaines mathématiques qui reposent fortement sur la représentation graphique. Cependant, certains affirment que, dans des conditions éducatives appropriées, la déficience visuelle peut constituer un atout en recherche mathématique, notamment en géométrie et en topologie. Bernard Morin, géomètre différentiel français, a réalisé des avancées significatives dans ces domaines malgré sa déficience visuelle. S'appuyant sur cet exemple, le scientifique russe Alexei Sosinski soutient que les personnes malvoyantes excellent dans certains domaines de la géométrie, comparativement aux personnes voyantes. Ceci s'explique par le fait que, contrairement aux personnes voyantes qui perçoivent les formes tridimensionnelles comme des images projetées sur une rétine bidimensionnelle – ce qui limite inévitablement la précision du raisonnement –, ce n'est pas le cas pour les personnes malvoyantes. Bien que l'on considère que les personnes malvoyantes possèdent un grand potentiel mathématique, les conditions actuelles de leur enseignement des mathématiques sont loin d'être optimales.
Le principal défi de l'enseignement des mathématiques aux personnes malvoyantes réside dans la compréhension des graphiques. Les supports pédagogiques tactiles existants présentent traditionnellement les graphiques sous forme de motifs de points. Or, ce format pose d'importantes difficultés de production. N'utilisant pas les caractères braille standard, le temps et le coût de production des livres en braille augmentent considérablement.
Un autre problème réside dans les difficultés rencontrées lors de l'enseignement. Lorsqu'un enseignant explique des exemples différents de ceux présentés dans le manuel, cela peut être facilement résolu en milieu scolaire ordinaire par un simple tableau blanc, mais c'est impossible pour les élèves en situation de handicap. La production de nouveaux supports pédagogiques tactiles étant longue, les enseignants sont contraints d'utiliser exclusivement les supports existants. Les contraintes de temps et de coût liées à la production de ces supports, ainsi que leur variété limitée, constituent les deux principaux problèmes.
Une étude a utilisé l'impression 3D pour résoudre ce problème. L'impression 3D est particulièrement adaptée à la résolution des problèmes mentionnés précédemment. Grâce à sa capacité à produire facilement n'importe quel modèle à l'aide d'une imprimante 3D relativement peu coûteuse, elle permet de réaliser des économies de temps et d'argent par rapport au recours à des prestataires externes. La gamme de ressources pédagogiques disponibles est également quasi illimitée. En effet, avec une simple imprimante 3D, il est possible d'imprimer n'importe quel type de modèle en modifiant un fichier STL.
Dans cette étude, nous avons développé un programme utilisant le logiciel de modélisation 3D Blender et le logiciel de découpe Cura, qui génère automatiquement un fichier STL du graphique correspondant à la saisie d'une fonction mathématique. À partir de ce programme, nous avons imprimé du matériel pédagogique tactile et mené une étude auprès de classes réelles dans une école pour aveugles afin de recueillir des retours d'expérience. Les résultats ont montré que les enseignants et les élèves ont évalué positivement l'introduction de ce matériel pédagogique complémentaire dans l'enseignement des mathématiques et ont indiqué qu'il avait favorisé une meilleure compréhension lors des apprentissages.
Cependant, plusieurs problèmes ont été identifiés et doivent être résolus, notamment le fait que les imprimantes 3D ne sont pas encore largement disponibles dans les écoles pour aveugles, et que même si le processus de création de modèles 3D a été simplifié au maximum, il reste une barrière à l'entrée relativement élevée pour le grand public non familiarisé avec les logiciels 3D.
Alors que les imprimantes 3D démontrent leur potentiel d'application dans divers domaines et sont considérées comme des acteurs clés des industries de demain, elles devraient également jouer un rôle important dans l'éducation des personnes malvoyantes. Bien que des améliorations soient encore possibles en termes de taux d'adoption, de précision et de facilité d'utilisation, les experts prévoient que ces problèmes techniques seront bientôt résolus et qu'une ère s'ouvrira où les imprimantes 3D seront largement accessibles dans les foyers et les institutions. Dans ce cas, on peut espérer que la technologie d'impression 3D évoluera, passant d'un acteur clé des industries de demain à une « technologie humaine » contribuant à relever les défis éducatifs des personnes handicapées, souvent marginalisées.
