Optimiser les laboratoires d'ingénierie avec LabsLand

Introduction : le dilemme des laboratoires dans l'enseignement de l'ingénierie moderne

Tous les formateurs s'accordent sur un point : les étudiants ont besoin d'une expérience pratique en laboratoire. Toutefois, comment y parvenir dans un cours d'ingénierie moderne ? C'est là que les choses se compliquent.

L'organisation de sessions pratiques est généralement difficile et peu pratique. Chaque étudiant doit se rendre dans un laboratoire physique où le matériel est souvent coûteux et difficile à entretenir pour le maintenir en parfait état de fonctionnement. Des pannes perturbent souvent les activités, le laboratoire ne peut pas être ouvert et supervisé aux heures où les étudiants aimeraient s'y rendre, et de nombreux autres défis limitent le nombre d'exercices pratiques que les formateurs peuvent mettre en place ou rendent difficile leur adéquation avec la théorie.

Par conséquent, les travaux pratiques, bien qu'appréciés de tous, sont souvent difficiles à mettre en œuvre et restent sous-utilisés.

Aujourd'hui, la technologie nous offre un nouvel outil pour réduire ce problème : les laboratoires à distance, des systèmes qui permettent aux étudiants d'accéder à de véritables équipements de laboratoire par le biais d'Internet. Malgré leur nom, les laboratoires à distance ne visent pas à remplacer les laboratoires traditionnels et ne sont pas destinés à l'enseignement à distance. Ils sont conçus pour être un outil puissant permettant de rendre l'enseignement pratique de l'ingénierie à la fois plus flexible et plus efficace.

Présentation de LabsLand

LabsLand est une plateforme qui permet d'accéder à de véritables équipements d'ingénierie pédagogiques via Internet. Il ne s'agit pas de simulations, mais de matériel réel. Les formateurs peuvent ainsi proposer des expériences pratiques de manière simple et efficace, sans les obstacles logistiques des sessions traditionnelles en laboratoire physique.

Il ne s'agit pas seulement d'un outil d'apprentissage à distance. C'est un outil général qui permet de réaliser des sessions pratiques. Les formateurs peuvent intégrer davantage de sessions pratiques et même les combiner facilement à leurs cours théoriques. Les étudiants ont accès à une multitude de dispositifs réels, en quelques secondes, à tout moment et où qu'ils soient. Ils ne sont plus limités par l'emplacement ou les horaires restreints des laboratoires physiques.

Point essentiel dans LabsLand : tout est basé sur de véritables dispositifs, et non sur des simulations ou des émulations logicielles. Les étudiants exécutent du code et accèdent à des équipements et des dispositifs physiquement hébergés dans le monde.

La plateforme LabsLand a été développée pour l'enseignement de l'ingénierie. Elle intègre des couches de sécurité pour garantir que les étudiants peuvent faire des expériences en toute sécurité sans endommager le matériel, elle fournit des analyses d'apprentissage et un contrôle d'accès, et s'intègre à toutes les principales plateformes LMS.

DigiKey est un partenaire stratégique qui nous aide à créer et à fournir des solutions efficaces pour l'enseignement de l'ingénierie à grande échelle.

Pas seulement pour l'apprentissage à distance

Même si les laboratoires à distance peuvent à première vue paraître conçus pour l'enseignement à distance, ce n'est pas le cas. Les laboratoires à distance constituent un outil conçu pour tous les types de cours et de formations en ingénierie, et les universités traditionnelles (en présentiel) les utilisent en fait très souvent.

Même lorsque des laboratoires physiques traditionnels sont disponibles, les formateurs peuvent ajouter des laboratoires à distance à leur éventail d'outils. Cela leur permet de garantir aux étudiants l'accès à une gamme plus large de matériel, d'intégrer en toute fluidité l'accès au laboratoire dans leurs cours théoriques et de faire en sorte que les étudiants puissent accéder au laboratoire 24 h/24 et 7 j/7 sans restriction.

Les laboratoires à distance ne remplacent pas forcément les laboratoires traditionnels, ils les complètent. Les formateurs gagnent en commodité, réduisent les goulets d'étranglement et offrent plus de temps en laboratoire de manière régulière et fiable, avec moins de surcharge.

Figure 1 : Étudiants de l'UPNA dans une salle de classe utilisant le laboratoire à distance de LabsLand pour accéder à de véritables FPGA et les programmer en temps réel. (Source de l'image : LabsLand)

Les laboratoires à distance ne sont pas des simulations

Les laboratoires à distance ne sont pas des simulations. Les étudiants n'accèdent pas simplement à un logiciel qui imite le comportement ou la réalité d'un dispositif physique, ils interagissent avec du matériel 100 % réel.

De nombreux outils fournissent des dispositifs simulés ou émulés. Ces outils peuvent être très utiles, et LabsLand ne vise pas à les remplacer. Cependant, à un moment donné, les étudiants ont besoin de travailler avec des signaux et des composants réels, et c'est exactement ce que LabsLand leur offre.

Les simulations sont toujours influencées par les hypothèses d'un programmeur. Elles se comportent comme le programmeur l'a décidé. Cela signifie que les étudiants peuvent passer à côté des résultats inattendus, des cas particuliers ou des bizarreries matérielles qui se produisent dans le monde réel, et qui constituent souvent les éléments d'apprentissage les plus précieux. Cet aspect est essentiel pour les ingénieurs, car leurs solutions doivent en fin de compte précisément faire face à des conditions réelles.

Avec LabsLand, l'interface est claire et accessible depuis un navigateur. En quelques secondes seulement, un étudiant peut ouvrir le site et commencer à utiliser des équipements entièrement configurés. Dans les faits, il interagit avec du véritable matériel et sait que son apprentissage est ancré dans la réalité.

Figure 2 : Des étudiants découvrent en personne les équipements du laboratoire à distance. (Source de l'image : LabsLand)

Une efficacité similaire à celle des laboratoires traditionnels

Plusieurs études empiriques ont confirmé que les laboratoires à distance offerts par LabsLand peuvent égaler, voire surpasser, l'efficacité pédagogique des laboratoires pratiques traditionnels. Une étude menée à l'université de Washington a comparé des étudiants apprenant la conception de circuits numériques à l'aide de matériel FPGA à distance ou en présentiel. Les résultats, basés sur la taxonomie de Bloom, ont révélé que les étudiants en laboratoire à distance ont atteint des performances nettement supérieures dans les tâches nécessitant une analyse, sans baisse des résultats dans d'autres domaines tels que la compréhension ou l'application des concepts. De même, une expérience menée à l'université de Deusto à l'aide du laboratoire à distance VISIR (aujourd'hui remplacé par LabsLand Hive, expliqué ci-dessous) a montré des améliorations statistiquement significatives entre les scores pré-test et post-test dans plusieurs établissements et à différents niveaux d'études, avec une taille d'effet (D de Cohen) importante de 1,0, indiquant un impact positif fort sur l'apprentissage.

Par ailleurs, une étude menée par l'université Monash University Malaysia a révélé que les étudiants utilisant les laboratoires FPGA à distance de LabsLand accédaient non seulement aux équipements de façon plus fréquente (avec plus de 20 000 utilisations en un semestre), mais faisaient également état d'un intérêt et d'une satisfaction accrus par rapport aux années précédentes en présentiel. Les données recueillies ont révélé une meilleure adéquation avec les objectifs d'apprentissage, les étudiants utilisant les laboratoires à distance ayant fait part d'une meilleure expérience d'apprentissage globale par rapport à leurs camarades n'y ayant pas accès. Ces résultats soulignent que les laboratoires à distance ne sont pas seulement un substitut, mais constituent une amélioration pédagogique solide et évolutive de l'enseignement de l'ingénierie.

Laboratoire FPGA : conception numérique où que vous soyez

Le laboratoire FPGA de LabsLand (inclus dans les licences LCAL0001, LCAL9001 et LCAL9002) permet aux étudiants d'accéder à de véritables cartes FPGA comme les modèles DE1-SoC et DE2-115 de Terasic, se trouvant dans des universités et des entreprises du monde entier. Ces cartes sont connectées à de vrais périphériques, comme des LED, des commutateurs, des affichages à 7 segments et des horloges internes, et peuvent être programmées à l'aide de VHDL, Verilog ou SystemVerilog.

Au-delà des bases, ce laboratoire prend également en charge des périphériques avancés. Certaines cartes sont connectées à des écrans VGA, à une sortie audio et même à des configurations réelles comme un système de parking intelligent ou une manette Nintendo. Ces dispositifs peuvent être contrôlés à distance par la logique de l'étudiant exécutée sur le FPGA. L'étudiant écrit son code HDL, le charge et accède à la carte et aux périphériques réels, interagissant ainsi avec tout en temps réel.

Vidéo 1 : Un étudiant utilise la carte Altera Terasic DE1-SoC à distance. À gauche, un flux de caméra en temps réel, et à droite, les commandes, incluant 10 commutateurs, 4 boutons et un contrôleur NES virtuel. (Source de la vidéo : LabsLand)

Pour les niveaux débutants, le laboratoire inclut des outils comme Digital Trainer et Boole Designer, conçus pour présenter les concepts fondamentaux comme les portes logiques, les systèmes combinatoires et l'algèbre booléenne, et ce, à l'aide de matériel réel.

Figure 3 : LabsLand Prism4 offrant un accès à distance à quatre FPGA Altera DE1-SoC (le couvercle translucide a été retiré pour une meilleure visibilité). Plusieurs câbles sont connectés pour permettre le traitement vidéo et audio, ainsi que l'ajout de périphériques supplémentaires. (Source de l'image : LabsLand)

Laboratoire STM32 : systèmes embarqués

Le laboratoire STM32 de LabsLand (inclus dans les licences LCAL0004, LCAL9001 et LCAL9002) offre un accès à distance à de véritables cartes Nucleo WB55RG de STMicroelectronics, ce qui permet d'enseigner et de pratiquer la programmation de systèmes embarqués, de dispositifs IoT ou de microcontrôleurs sans avoir besoin d'installer de matériel.

Le laboratoire prend en charge plusieurs environnements de développement, notamment l'IDE LabsLand basé Web, Keil Studio Cloud, le compilateur en ligne Mbed d'ARM et des chaînes d'outils hors ligne comme les environnements basés sur STM32CubeIDE ou GCC. Cette flexibilité permet aux formateurs d'utiliser le même laboratoire dans des cours pour débutants et des cours plus avancés. Par exemple, consultez ce cours Udemy utilisant ce laboratoire à distance.

Les cartes sont connectées à une gamme de périphériques réels et émulés : LED, LED RVB, servomoteur, écran LCD, ainsi que des commutateurs, des boutons et des potentiomètres. Elles prennent également en charge la surveillance du courant, ce qui permet aux étudiants d'analyser la consommation énergétique dans différentes conditions. Cela s'avère utile dans les cours abordant l'informatique écoénergétique ou les systèmes IoT basse consommation.

Vidéo 2 : Laboratoire à distance STM32 Nucleo utilisant les commutateurs et les boutons, et affichant l'écran contrôlé par SPI, les LED, les servomoteurs et l'UART, et une application réelle où les étudiants peuvent contrôler à l'aide de la vraie carte un parking simulé avec les GPIO. (Source de la vidéo : LabsLand)

Il existe également des configurations avancées qui relient la carte à des environnements virtuels interactifs, comme un système d'automatisation de parking. Ces scénarios sont particulièrement utiles lorsque l'on combine des systèmes embarqués avec une logique ou des simulations au niveau du système.

Figure 4 : Plaque permettant d'accéder à distance à quatre cartes de développement STM32 Nucleo WB55RG, prêtes à être intégrées dans une unité Prism4. Chaque configuration inclut l'accès à un écran, un servomoteur, des LED et des périphériques supplémentaires. (Source de l'image : LabsLand)

Laboratoire d'électronique analogique : construire et mesurer des circuits réels

Le laboratoire d'électronique analogique de LabsLand, également connu sous le nom de Hive (en achetant le matériel LPEQ0001, ou inclus dans les licences LCAL0003, LCAL9001 et LCAL9002), permet aux étudiants de construire et de mesurer à distance de véritables circuits analogiques. Il est destiné aux cours d'introduction à l'électronique et aux cours axés sur l'analogique, et inclut des composants clés comme des résistances, des condensateurs, des diodes, etc.

Vidéo 3 : Laboratoire Hive en action. En haut, les données de l'oscilloscope provenant des véritables équipements, dans ce cas à l'université TU Dortmund (Allemagne), où il est possible de voir quels composants sont utilisés. (Source de la vidéo : LabsLand)

Les étudiants utilisent une interface visuelle pour construire des circuits, mais en coulisses, les connexions sont physiquement créées à l'aide de matrices de commutation à relais. Toutes les mesures sont effectuées à l'aide de véritables instruments de laboratoire : oscilloscope, générateur de fonctions, multimètre et alimentations.

Le laboratoire prend en charge un vaste catalogue de circuits prédéfinis, notamment des réseaux de résistances, des filtres RLC, des diodes et d'autres configurations standard. Les circuits peuvent être sélectionnés dans le catalogue ou créés manuellement à l'aide des composants pris en charge. Pour garantir sécurité et praticité, le système limite ce qui peut être construit physiquement, mais offre néanmoins une large couverture des cas d'utilisation courants dans l'enseignement de l'électronique.

Grâce à un système de mise en file d'attente fluide et à la rapidité des mesures, le laboratoire permet un accès simultané élevé : des dizaines, voire des centaines d'étudiants peuvent l'utiliser sans décalage notable.

Figure 5 : Les cartes à relais qui constituent les circuits électroniques analogiques sont superposées et connectées, avec des LED d'état tricolores allumées. (Source de l'image : LabsLand)

Figure 6 : Unités HIVE de LabsLand dans différents pays. Deux petites caméras en temps réel sont placées en haut. (Source de l'image : LabsLand)

Disponibilité à tout moment et en tout lieu

L'un des principaux avantages des laboratoires à distance de LabsLand est qu'ils sont disponibles partout, tout le temps. Il n'est pas nécessaire de prévoir des créneaux spécifiques, de réserver à l'avance, de se rendre dans une salle de laboratoire spécifique ou de se plier aux horaires de l'université.

Les étudiants peuvent se connecter depuis chez eux ou depuis une salle de classe. De nombreux formateurs intègrent même l'utilisation du laboratoire dans leurs cours théoriques, en utilisant des dispositifs réels dans leurs classes et en associant plus étroitement la pratique à la théorie.

Les étudiants peuvent pratiquer davantage, facilement et comme bon leur semble, ce qui encourage une utilisation accrue du laboratoire et améliore les résultats.

Aucune configuration matérielle, aucune maintenance

LabsLand et ses partenaires gèrent l'infrastructure. Ainsi, les établissements n'ont pas besoin d'installer ou de configurer du matériel, ni de se soucier de la maintenance, de l'étalonnage et de la supervision. De multiples copies des laboratoires sont distribuées dans le monde entier, à différents endroits.

Les formateurs peuvent ainsi se concentrer sur leur travail sans avoir à se soucier de la logistique, des perturbations dues à des équipements défectueux ou des problèmes techniques. Les étudiants peuvent se connecter facilement en quelques secondes, partout et à tout moment, sans avoir à s'adapter à des contraintes horaires ou géographiques strictes.

Les universités peuvent quant à elles proposer un service qui est souvent non seulement plus efficace et plus pratique, mais également bien moins coûteux, étant donné que la sous-utilisation des équipements de laboratoire et les frais généraux liés à l'acquisition, à la maintenance et à la supervision sont considérablement réduits.

Modèle flexible : abonnement ou hébergement

Il est facile de se lancer avec les laboratoires de LabsLand : les établissements peuvent simplement s'abonner au réseau. Les licences sont généralement très abordables, avec un paiement par étudiant et par semestre. Aucun achat de matériel n'est nécessaire, et du contenu pédagogique prêt à l'emploi ainsi que des conseils d'experts sont disponibles pour aider les formateurs à intégrer rapidement les laboratoires à leurs cours.

Pour les universités qui souhaitent un déploiement local, une personnalisation et un accès prioritaire à leurs propres équipements, LabsLand vend des laboratoires à distance pré-construits et à la pointe de la technologie — dont un grand nombre en collaboration avec DigiKey — qui peuvent être facilement déployés dans chaque établissement, et par le biais desquels les établissements peuvent rejoindre le réseau en tant que fournisseurs.

Les établissements disposant de leurs propres équipements bénéficient d'un contrôle accru, d'un accès prioritaire à leurs systèmes, d'une utilisation plus abordable et d'une reconnaissance mondiale de leur marque.

Intégration LMS transparente

L'accès aux laboratoires est géré et fourni via une plateforme unifiée. Celle-ci s'intègre à la plupart des systèmes de gestion de l'apprentissage (LMS), notamment Moodle, Blackboard, Canvas, Sakai et plus. Ainsi, l'accès aux laboratoires et aux activités pratiques se fait en toute transparence pour les étudiants. Tout reste au même endroit et il est même possible d'utiliser l'évaluation automatique et d'autres fonctionnalités LMS.

La plateforme LabsLand inclut également des outils permettant d'accéder à des analyses d'apprentissage, de surveiller l'utilisation, et bien plus encore.

Approuvé par des institutions majeures

La plateforme LabsLand est déjà utilisée par des universités du monde entier. Certaines sont des institutions réputées, comme l'université de Washington et l'université du Michigan, qui hébergent également des équipements LabsLand sur leurs campus.

La plateforme est également utilisée dans une grande variété de contextes éducatifs, notamment dans des universités en Allemagne, en Espagne, au Costa Rica et en Afrique du Sud. L'université de Fort Hare, par exemple, utilise LabsLand dans le cadre de ses efforts visant à étendre l'accès à l'enseignement de l'ingénierie. L'UNED, l'une des plus grandes universités d'Europe, utilise aussi LabsLand dans plusieurs de ses programmes.

Bon nombre de ces universités ne se contentent pas d'utiliser les laboratoires : elles y apportent également leur contribution. Certaines hébergent leurs propres équipements et les partagent via le réseau, mettant ainsi les laboratoires qu'elles utilisent dans leurs salles de classe à la disposition des étudiants du monde entier.

Des dizaines d'autres universités en Amérique, en Europe, en Afrique et en Asie font partie du réseau LabsLand. Ce modèle fonctionne déjà à grande échelle, dans différentes langues, avec différents styles d'enseignement et différentes structures de cours, ce qui montre que les laboratoires à distance ne sont pas seulement une idée théorique, mais un outil pratique et fiable déjà utilisé dans de vraies salles de classe.

Comment démarrer

Il est très simple de commencer à utiliser LabsLand. Si vous souhaitez découvrir les laboratoires, savoir comment les intégrer à votre cours ou simplement en savoir plus sur les options disponibles, n'hésitez pas à nous contacter.

Vous pouvez commencer à interagir immédiatement sans avoir à installer ou à acheter quoi que ce soit. Que vous envisagiez de vous abonner au réseau ou d'héberger des équipements, nous serons ravis de vous expliquer comment faire dans votre situation précise.

Pour nous contacter ou poser des questions, rendez-vous à l'adresse suivante : https://labsland.com/en/contact

DigiKey propose également un webinaire avec les cofondateurs de LabsLand, qui présentent plus en détail leurs laboratoires à distance pour l'apprentissage à distance. Pour accéder au webinaire, il suffit de cliquer sur le lien d'inscription à la fin du blog relatif au webinaire et de fournir les informations demandées.