Dossier enseignant Laser et restaura!on d'œuvre d'art. Lycée. Service Éduca!on. avenue Franklin D. Roosevelt Paris

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1 Dossier enseignant Laser et restaura!on d'œuvre d'art avenue Franklin D. Roosevelt Paris Lycée Service Éduca!on Chloé LAVIGNOTTE

2 Présentation du document L activité «Laser et restauration d œuvre d art» est destinée aux élèves de lycées. Cette activité est plus particulièrement adaptée pour les élèves de la classe de seconde ayant choisi le thème «Science et œuvres d art», dans le cadre de l enseignement d exploration MPS ou SL. Sommaire Parcours version élève format A4... page 3 Proposition de corrigé... page 11 Remarque : La version livret-élève de format A5 : «Activité pédagogique : Laser et restauration d œuvres d art» est téléchargeable sur le site : Ce document propose aux élèves de travailler sur l une des méthodes de restauration d œuvre d art : la restauration à l aide d un Laser. Pour pouvoir répondre aux questions, l élève doit avoir assisté à l exposé «Laser» proposé par le Palais de la découverte. N oubliez pas de réserver cet exposé à l avance. Si vous souhaitez des conseils ou des compléments d information, n hésitez pas à contacter l équipe d enseignants chargés de mission à Universcience et spécialisés dans les enseignements d exploration MPS et SL à l adresse suivante : profs.mps.sl@gmail.com.

3 Les lasers et la restauration d œuvres d art Lors de ta visite au Palais de la découverte, tu as assisté à l exposé LASER. Tout au long de ce document, nous allons revenir sur cet exposé pour comprendre ce qui se passe lors de la restauration d une statue ou d un monument à l aide d un laser. Remarque : Pour les QCM, parfois plusieurs réponses peuvent être correctes. Petit historique des lasers Les lasers font maintenant partie de notre quotidien : en médecine (microchirurgie, chirurgie plastique, chirurgie oculaire ), dans les objets high-tech (lecteurs CD, imprimantes laser ), en architecture (visées ), dans les magasins (lecture des codes barres) Ce sont des travaux d Albert Einstein sur la lumière, datés de 1917, qui servirent de base pour l invention des lasers. Quarante ans plus tard, l idée du laser est proposée par des physiciens américains et soviétiques. Dès les années 1970, les lasers sont utilisés dans le domaine militaire puis dans différentes industries (percer, souder, nettoyer, guider ). Il faut attendre la fin des années 1980 pour que soient développés les premiers lasers pour la restauration du patrimoine. La France est l un des pays pionniers de l utilisation du laser sur les chantiers de restaurations. Cette méthode est très utilisée lors de la restauration de grands monuments comme la cathédrale d Amiens (classée au patrimoine mondial de l UNESCO). Universcience Service Éducation 1

4 Quelques rappels sur les lasers La lumière laser se propage : O dans une direction donnée O dans tous les sens O en ligne droite Un laser émet une lumière : O monochromatique O polychromatique On peut observer un faisceau de lumière laser : O depuis n importe où pourvu que le laser soit allumé dans la pièce O lorsque l onde électromagnétique fait partie du domaine du visible O lorsque la lumière du faisceau est diffusée vers nos yeux par des particules (poussières, fumée, gouttelettes d eau ) Remarque : le terme de laser est à la fois utilisé pour décrire le dispositif qui permet de créer la lumière et pour nommer le faisceau de lumière. La sécurité L utilisation d un laser n est pas sans danger. Avant d utiliser un laser, il faut en connaître les risques et les bons gestes pour l utiliser. Si le rayonnement laser utilisé pour restaurer une statue atteint un œil non protégé : O la personne sera éblouie un moment mais retrouvera forcément une vue normale. O la rétine de ce dernier peut être détruite de manière irréversible. O il n y a aucun danger si la durée de l exposition est inférieure à 10s. Retour sur l exposé : A quoi sert la vitre séparant le médiateur et le public? Comment le médiateur se protège-t-il des réflexions de la lumière infrarouge? Universcience Service Éducation 2

5 Lors de l utilisation d un laser, différentes règles de sécurité doivent être respectées. Selon-toi, quelles règles doivent être appliquées lors de l utilisation de lasers sur un chantier de restauration? Remarque : le restaurateur doit également penser à porter un masque pour ne pas inhaler de fines particules dangereuses pour sa santé. Une des applications du laser : la restauration de statues Au cours du temps, les statues et les monuments se recouvrent de sortes de croûtes noires plus ou moins difficiles à enlever. Elles sont constituées en partie de pollens, de cendres et de suies (provenant des usines, des automobiles). Les restaurateurs peuvent choisir d utiliser un laser pour les éliminer. Plusieurs types de lasers ont été testés sur différents échantillons de pierres, afin de déterminer quelle est la longueur d onde la plus adaptée (pour enlever la croûte noire de la pierre sans abimer cette dernière). En général, les lasers utilisés ont une longueur d onde de 1064 nm. visible D après cette longueur d onde (1 064nm), la lumière émise par ces lasers appartient au domaine : O des rayons X O des infrarouges O des ultra-violets O des ondes radios Universcience Service Éducation 3

6 A-Interactions entre le laser et la matière Retour sur l exposé : Lorsque le morceau de bois est placé devant le laser à infrarouge, il se met à brûler et un trou se forme. D où provient la source d énergie nécessaire à cette combustion? On interpose du verre entre le laser à infrarouge et le morceau de bois : le bois reste intact et le verre émet de la lumière visible. Explique ce phénomène. O Le verre absorbe le rayonnement laser : le verre s échauffe et transforme ainsi une partie de la lumière infrarouge en lumière visible (plus un objet est chaud, plus il produit de la lumière) O Le verre réfléchit totalement le rayonnement laser O Le verre laisse passer le rayonnement laser Lors de la restauration des statues ou des monuments, le laser peut interagir avec la croûte noire de deux manières différentes : par une interaction mécanique ou par une interaction thermique. L interaction thermique : Lorsque la lumière laser est en contact avec la matière, elle provoque une forte élévation de température. La matière peut alors fondre puis se vaporiser (se transformer en gaz). L interaction mécanique : Lorsque la matière se vaporise (grâce à l interaction thermique), des ondes de chocs mécaniques et acoustiques se propagent dans le matériau. Ces ondes permettent l éjection de particules plus ou moins grosses. Les restaurateurs peuvent pulvériser un peu d eau sur les salissures ce qui permettra à l aide du laser d éjecter les particules de croûte noire plus facilement. Que se passet-il dans ce cas-là? O l eau va dissoudre les particules qui se décolleront toutes seules O l eau va se vaporiser au contact du faisceau laser O la pression due à la vapeur d eau va permettre de décoller les particules de croûte noire B-Obtenir une plus grande concentration d énergie Complète le schéma suivant pour indiquer ce qui se passe à la sortie d une lentille convergente lorsque des rayons de lumière parallèles arrivent sur elle. O F Axe optique Universcience Service Éducation 4

7 À la sortie du laser, se trouve une lentille convergente. À quoi sert-elle? Retour sur l exposé : Lorsque le médiateur passe sa main sur le trajet du faisceau laser, très loin de l appareil, il ne se blesse pas, pourquoi? Que ressent le médiateur lorsqu il rapproche de plus en plus sa main du laser? Le médiateur pourra-t-il rapprocher sa main très près de l appareil? Sur le schéma suivant, indique où placer la partie de la statue ou du monument à traiter pour : - obtenir la plus grande précision (tu noteras cette partie A) - avoir la plus grande concentration d énergie (tu la noteras B) - traiter une surface importante (tu la noteras C) Lentille convergente Focaliser les rayons lasers en un point permet donc aux restaurateurs : O d apporter une plus grande quantité d énergie en un point O de pouvoir être plus précis O d éviter tout risque de blessure Universcience Service Éducation 5

8 C-La durée d émission du laser Plus la surface traitée à un moment donné par le laser est petite : O Plus il faudra du temps au restaurateur pour finir son travail. O Moins il faudra de temps au restaurateur pour finir son travail. O Plus le travail du restaurateur sera précis. La lumière laser n est pas émise en continue, on dit que la lumière est pulsée. Chaque émission de lumière a une durée d environ 10 nanosecondes (10-9 s). Selon les modèles, le laser émettra entre 1 et 60 pulses par seconde. Le fait d avoir une émission pulsée permet ainsi d accumuler une plus grande quantité d énergie ce qui favorise les interactions avec la croûte noire. Avoir de la lumière pulsée permet : O d avoir une plus grande quantité d énergie en un point à un moment donné O de ne pas abimer la pierre O de gagner en efficacité Tout au long de l utilisation du laser, le restaurateur prend soin d adapter les différents paramètres (durée d émission, surface balayée) en fonction de l état de la surface. Remarque : les impulsions longues favorisent les interactions thermiques alors que les impulsions courtes favorisent les interactions mécaniques (voir définition p4) D-Le laser est sélectif Retour sur l exposé : Lorsque le médiateur envoie le laser sur le fond métallique de l une des canettes, elle n est pas endommagée et garde la même température. Pourquoi? Les côtés de cette même canette peuvent être découpés par le laser (le métal fond). Quel est alors le rôle de la peinture recouvrant le tour de la canette? O La peinture combinée au rayonnement laser réagit chimiquement avec le métal O La peinture absorbe le rayonnement laser et transforme une partie de ce rayonnement en chaleur O La peinture devient très chaude et transmet de la chaleur au métal : la température atteinte dépasse la température de fusion du métal : ce dernier fond Le médiateur retente l expérience avec un autre modèle de canette. La canette de Minute Maid est décapée par le laser (la peinture part) mais le métal reste intact. Propose une explication. Universcience Service Éducation 6

9 Lors de la restauration d une statue, le restaurateur cherche à enlever la croûte noire sans abimer la pierre. La lumière laser doit donc être : O fortement absorbée par la croûte noire O réfléchie par la croûte noire Lors de la restauration, la pierre n est pas endommagée par le laser car : O la pierre réfléchit la lumière émise par le laser O la pierre absorbe la lumière émise par le laser O la pierre n absorbe pas la lumière émise par le laser Conclusion : (barre les mots en gras qui sont incorrects) Les salissures absorbent / réfléchissent bien la lumière infrarouge (comme la peinture / la partie métallique de la canette) alors que la pierre absorbe / réfléchit la lumière infrarouge (comme la peinture / la partie métallique de la canette). Remarque : Le décollement de la croûte noire est due à une combinaison entre des interactions thermiques et des interactions mécaniques (voir définitions page3). Le laser et d autres méthodes de restauration Le choix du restaurateur Pour enlever les marques de traitements anciens, les mousses, les lichens, les taches d encre, les graffitis la méthode de restauration au laser ne sera pas appropriée. Le restaurateur choisit alors d autres méthodes plus performantes pour ces cas-là (le micro-sablage, l application des compresses imprégnées de solvants, la projection d eau ou encore le brossage doux associé à une aspiration ). Des essais sont préalablement faits sur de petites surfaces afin de choisir la méthode qui conviendra le mieux pour la restauration. Différentes méthodes sur un chantier Le nettoyage laser n est pas la seule opération mise en œuvre pour restaurer une statue ou un monument. Cette opération est combinée à d autres méthodes pour garantir à l œuvre de stopper ses altérations, enrayer leurs causes et ainsi pouvoir garantir sa conservation future. Le nettoyage par laser s effectue en général en début de chantier, juste après le dépoussiérage de l œuvre. Les avantages du laser Contrairement à d autres méthodes, le laser n utilise pas de produits chimiques et ne consomme que très peu d eau. Généralement, pour restaurer des surfaces extrêmement fragiles, les restaurateurs doivent préconsolider l œuvre en injectant un produit sous et autour de la zone à nettoyer. Cette opération lente et délicate n est pas indispensable si l on utilise un laser. Universcience Service Éducation 7

10 QUESTIONS Un restaurateur hésite entre l utilisation d un laser, l utilisation de compresses imbibées de solvant et le micro-sablage. Comment va-t-il s y prendre pour choisir la bonne méthode? A quel moment du chantier le laser est-il utilisé? Pourquoi les restaurateurs ne sont-ils plus obligés de préconsolider les œuvres fragiles grâce au laser? Cite plusieurs avantages du laser par rapport à d autres méthodes de restauration : Universcience Service Éducation 8

11 Les lasers et la restauration d œuvres d art Lors de ta visite au Palais de la découverte, tu as assisté à l exposé LASER. Tout au long de ce document, nous allons revenir sur cet exposé pour comprendre ce qui se passe lors de la restauration d une statue ou d un monument à l aide d un laser. Remarque : Pour les QCM, parfois plusieurs réponses peuvent être correctes. Petit historique des lasers Les lasers font maintenant partie de notre quotidien : en médecine (microchirurgie, chirurgie plastique, chirurgie oculaire ), dans les objets high-tech (lecteurs CD, imprimantes laser ), en architecture (visées ), dans les magasins (lecture des codes barres) Ce sont des travaux d Albert Einstein sur la lumière, datés de 1917, qui servirent de base pour l invention des lasers. Quarante ans plus tard, l idée du laser est proposée par des physiciens américains et soviétiques. Dès les années 1970, les lasers sont utilisés dans le domaine militaire puis dans différentes industries (percer, souder, nettoyer, guider ). Il faut attendre la fin des années 1980 pour que soient développés les premiers lasers pour la restauration du patrimoine. La France est l un des pays pionniers de l utilisation du laser sur les chantiers de restaurations. Cette méthode est très utilisée lors de la restauration de grands monuments comme la cathédrale d Amiens (classée au patrimoine mondial de l UNESCO). Universcience Service Éducation 1

12 La lumière laser se propage : O dans une direction donnée O dans tous les sens O en ligne droite Un laser émet une lumière : O monochromatique O polychromatique Quelques rappels sur les lasers On peut observer un faisceau de lumière laser : O depuis n importe où pourvu que le laser soit allumé dans la pièce O lorsque l onde électromagnétique fait partie du domaine du visible O lorsque la lumière du faisceau est diffusée vers nos yeux par des particules (poussières, fumée, gouttelettes d eau ) Remarque : le terme de laser est à la fois utilisé pour décrire le dispositif qui permet de créer la lumière et pour nommer le faisceau de lumière. La sécurité L utilisation d un laser n est pas sans danger. Avant d utiliser un laser, il faut en connaître les risques et les bons gestes pour l utiliser. Si le rayonnement laser utilisé pour restaurer une statue atteint un œil non protégé : O la personne sera éblouie un moment mais retrouvera forcément une vue normale. O la rétine de ce dernier peut être détruite de manière irréversible. O il n y a aucun danger si la durée de l exposition est inférieure à 10s. Retour sur l exposé : A quoi sert la vitre séparant le médiateur et le public? La vitre permet de protéger le public des réflexions de la lumière infrarouge. Comment le médiateur se protège-t-il des réflexions de la lumière infrarouge? Il utilise des lunettes de protection qui ne laissent pas passer les rayons infrarouge. Universcience Service Éducation 2

13 Lors de l utilisation d un laser, différentes règles de sécurité doivent être respectées. Selon-toi, quelles règles doivent être appliquées lors de l utilisation de lasers sur un chantier de restauration? Le restaurateur utilisant le laser et les personnes autour doivent porter des lunettes de protection. Il ne faut pas disposer d objets réfléchissants les infrarouges sur le site (par exemple du métal). L endroit doit être fermé. L utilisation du laser doit être signalée par des lampes clignotantes. Remarque : le restaurateur doit également penser à porter un masque pour ne pas inhaler de fines particules dangereuses pour sa santé. Une des applications du laser : la restauration de statues Au cours du temps, les statues et les monuments se recouvrent de sortes de croûtes noires plus ou moins difficiles à enlever. Elles sont constituées en partie de pollens, de cendres et de suies (provenant des usines, des automobiles). Les restaurateurs peuvent choisir d utiliser un laser pour les éliminer. Plusieurs types de lasers ont été testés sur différents échantillons de pierres, afin de déterminer quelle est la longueur d onde la plus adaptée (pour enlever la croûte noire de la pierre sans abimer cette dernière). En général, les lasers utilisés ont une longueur d onde de 1064 nm. visible D après cette longueur d onde (1 064nm), la lumière émise par ces lasers appartient au domaine : O des rayons X O des infrarouges O des ultra-violets O des ondes radios Universcience Service Éducation 3

14 A-Interactions entre le laser et la matière Retour sur l exposé : Lorsque le morceau de bois est placé devant le laser à infrarouge, il se met à brûler et un trou se forme. D où provient la source d énergie nécessaire à cette combustion? Elle provient de la lumière laser. On interpose du verre entre le laser à infrarouge et le morceau de bois : le bois reste intact et le verre émet de la lumière visible. Explique ce phénomène. O Le verre absorbe le rayonnement laser : le verre s échauffe et transforme ainsi une partie de la lumière infrarouge en lumière visible (plus un objet est chaud, plus il produit de la lumière) O Le verre réfléchit totalement le rayonnement laser O Le verre laisse passer le rayonnement laser Lors de la restauration des statues ou des monuments, le laser peut interagir avec la croûte noire de deux manières différentes : par une interaction mécanique ou par une interaction thermique. L interaction thermique : Lorsque la lumière laser est en contact avec la matière, elle provoque une forte élévation de température. La matière peut alors fondre puis se vaporiser (se transformer en gaz). L interaction mécanique : Lorsque la matière se vaporise (grâce à l interaction thermique), des ondes de chocs mécaniques et acoustiques se propagent dans le matériau. Ces ondes permettent l éjection de particules plus ou moins grosses. Les restaurateurs peuvent pulvériser un peu d eau sur les salissures ce qui permettra à l aide du laser d éjecter les particules de croûte noire plus facilement. Que se passet-il dans ce cas-là? O l eau va dissoudre les particules qui se décolleront toutes seules O l eau va se vaporiser au contact du faisceau laser O la pression due à la vapeur d eau va permettre de décoller les particules de croûte noire B-Obtenir une plus grande concentration d énergie Complète le schéma suivant pour indiquer ce qui se passe à la sortie d une lentille convergente lorsque des rayons de lumière parallèles arrivent sur elle. O F Axe optique

15 À la sortie du laser, se trouve une lentille convergente. À quoi sert-elle? Elle permet de concentrer la lumière infrarouge en un point, cela permet d avoir une plus grande quantité d énergie à un endroit précis. Retour sur l exposé : Lorsque le médiateur passe sa main sur le trajet du faisceau laser, très loin de l appareil, il ne se blesse pas, pourquoi? Loin du foyer de la lentille, les rayons du laser sont beaucoup moins concentrés, le médiateur peut y mettre sa main sans se blesser. Que ressent le médiateur lorsqu il rapproche de plus en plus sa main du laser? Il ressent une chaleur de plus en plus intense. Le médiateur pourra-t-il rapprocher sa main très près de l appareil? Non, car plus il approche sa main, plus il reçoit de la lumière concentrée. Il risque donc de se blesser s il approche sa main trop près de l appareil. Sur le schéma suivant, indique où placer la partie de la statue ou du monument à traiter pour : - obtenir la plus grande précision (tu noteras cette partie A) - avoir la plus grande concentration d énergie (tu la noteras B) - traiter une surface importante (tu la noteras C) A B Lentille convergente C Focaliser les rayons lasers en un point permet donc aux restaurateurs : O d apporter une plus grande quantité d énergie en un point O de pouvoir être plus précis O d éviter tout risque de blessure Universcience Service Éducation 5

16 C-La durée d émission du laser Plus la surface traitée à un moment donné par le laser est petite : O Plus il faudra du temps au restaurateur pour finir son travail. O Moins il faudra de temps au restaurateur pour finir son travail. O Plus le travail du restaurateur sera précis. La lumière laser n est pas émise en continue, on dit que la lumière est pulsée. Chaque émission de lumière a une durée d environ 10 nanosecondes (10-9 s). Selon les modèles, le laser émettra entre 1 et 60 pulses par seconde. Le fait d avoir une émission pulsée permet ainsi d accumuler une plus grande quantité d énergie ce qui favorise les interactions avec la croûte noire. Avoir de la lumière pulsée permet : O d avoir une plus grande quantité d énergie en un point à un moment donné O de ne pas abimer la pierre O de gagner en efficacité Tout au long de l utilisation du laser, le restaurateur prend soin d adapter les différents paramètres (durée d émission, surface balayée) en fonction de l état de la surface. Remarque : les impulsions longues favorisent les interactions thermiques alors que les impulsions courtes favorisent les interactions mécaniques (voir définition p3) D-Le laser est sélectif Retour sur l exposé : Lorsque le médiateur envoie le laser sur le fond métallique de l une des canettes, elle n est pas endommagée et garde la même température. Pourquoi? Le fond métallique de la canette réfléchit la lumière émise par le laser infrarouge. Les côtés de cette même canette peuvent être découpés par le laser (le métal fond). Quel est alors le rôle de la peinture recouvrant le tour de la canette? O La peinture combinée au rayonnement laser réagit chimiquement avec le métal O La peinture absorbe le rayonnement laser et transforme une partie de ce rayonnement en chaleur O La peinture devient très chaude et transmet de la chaleur au métal : la température atteinte dépasse la température de fusion du métal : ce dernier fond Le médiateur retente l expérience avec un autre modèle de canette. La canette de Minute Maid est décapée par le laser (la peinture part) mais le métal reste intact. Propose une explication. La peinture absorbe également le rayonnement laser, elle s échauffe et se volatilise. La température atteinte par la peinture est trop faible pour faire fondre le métal.

17 Lors de la restauration d une statue, le restaurateur cherche à enlever la croûte noire sans abimer la pierre. La lumière laser doit donc être : O fortement absorbée par la croûte noire O réfléchie par la croûte noire Lors de la restauration, la pierre n est pas endommagée par le laser car : O la pierre réfléchit la lumière émise par le laser O la pierre absorbe la lumière émise par le laser O la pierre n absorbe pas la lumière émise par le laser Conclusion : (barre les mots en gras qui sont incorrects) Les salissures absorbent / réfléchissent bien la lumière infrarouge (comme la peinture / la partie métallique de la canette) alors que la pierre absorbe / réfléchit la lumière infrarouge (comme la peinture / la partie métallique de la canette). Remarque : Le décollement de la croûte noire est due à une combinaison entre des interactions thermiques et des interactions mécaniques (voir définitions page3). Le laser et d autres méthodes de restauration Le choix du restaurateur Pour enlever les marques de traitements anciens, les mousses, les lichens, les taches d encre, les graffitis la méthode de restauration au laser ne sera pas appropriée. Le restaurateur choisit alors d autres méthodes plus performantes pour ces cas-là (le micro-sablage, l application des compresses imprégnées de solvants, la projection d eau ou encore le brossage doux associé à une aspiration ). Des essais sont préalablement faits sur de petites surfaces afin de choisir la méthode qui conviendra le mieux pour la restauration. Différentes méthodes sur un chantier Le nettoyage laser n est pas la seule opération mise en œuvre pour restaurer une statue ou un monument. Cette opération est combinée à d autres méthodes pour garantir à l œuvre de stopper ses altérations, enrayer leurs causes et ainsi pouvoir garantir sa conservation future. Le nettoyage par laser s effectue en général en début de chantier, juste après le dépoussiérage de l œuvre. Les avantages du laser Contrairement à d autres méthodes, le laser n utilise pas de produits chimiques et ne consomme que très peu d eau. Généralement, pour restaurer des surfaces extrêmement fragiles, les restaurateurs doivent préconsolider l œuvre en injectant un produit sous et autour de la zone à nettoyer. Cette opération lente et délicate n est pas indispensable si l on utilise un laser.

18 QUESTIONS Un restaurateur hésite entre l utilisation d un laser, l utilisation de compresses imbibées de solvant et le micro-sablage. Comment va-t-il s y prendre pour choisir la bonne méthode? Le restaurateur va faire 3 petits essais sur l œuvre à restaurer. Il choisira la meilleure méthode en fonction des résultats. A quel moment du chantier le laser est-il utilisé? Le laser est utilisé en début de chantier, juste après le dépoussiérage. Pourquoi les restaurateurs ne sont-ils plus obligés de préconsolider les œuvres fragiles grâce au laser? Le laser est une méthode plus douce et précise que la plupart des autres méthodes. La pierre se trouve moins sollicitée et a donc moins de risques de se casser. Cite plusieurs avantages du laser par rapport à d autres méthodes de restauration : Cette méthode n utilise pas de produits chimiques et n utilise que très peu d eau (pour pulvériser de l eau sur la croûte noire). De plus, le laser n abime pas la pierre, elle reste intacte, il n y a plus besoin de consolider l œuvre! Pour en savoir plus sur le laser et ses applications : Découverte n 329 (août-septembre 2005) : L épopée des lasers - Hervé Boisson Belin Pour la science : Lumière et luminescence Bernard Valeur Le laser de nettoyage de la pierre et la restauration des sculptures Philippe Bromblet et Thomas Vieweger Universcience Service Éducation 8