Olivier Lourme

Michaël Hauspie

Toward a realistic Intrusion Detection System dedicated to smart-home environments

Keywords: Internet of Things Security, Intrusion Detection Systems, Anomaly Detection, Unsupervised Machine Learning, Smart Homes

The Internet of Things (IoT) is a recent and ever growing model in data processing. In terms of security, the heterogeneity and specificity of protocol stacks, the variety and low resources of objects, combined with commercial pressures, lead to less mature and less robust solutions than those available in traditional Information Technologies, hence providing a new attack surface, often exploited.

In this context, the development of Intrusion Detection Systems (IDS) dedicated to IoT is an abundant research field. Inside it, many works claim to tackle the peculiar and promising IoT smart-home segment. Sadly, a lot of them do not deal with its specific characteristics compared to other IoT fields: 1) its multiple protocol stacks in a small volume, 2) its reinforced economic stress and 3) the lack of technical skills from users waiting primarily for things to work without any hassle.

In this paper, we propose a smart-home IDS design, driven by the aforementioned characteristics of smart-home environments (technical, economic and human). For example, acquisitions and demodulations of signals should be performed by low-cost multiprotocols dongles, not needing any calibration. The anomaly detection algorithm, implemented in an updatable centralized host, should be taken among the unsupervised learning methods, less expensive and simpler than supervised alternatives. We believe that this new holistic approach, if it meets satisfactory performance metrics, may contribute significantly to a wide adoption of IDS in smart-home environments.

I. INTRODUCTION

A. IoT today and its inherent security weaknesses

IoT devices, "hosts" or "objects", bridge the physical world to the virtual one of supervision. They are made of sensors and actuators, handled by microcontrollers able to communicate wirelessly thanks to their radio transceiver chips. These objects are organized in networks, often linked one to another and to the Internet via gateways. By fostering fast decision making, IoT makes system management more efficient. Logically, this new paradigm pervades all scientific and technical fields like health, transport, agriculture, or home (this paper concern), all of them becoming instantly "smart" topics. IoT modifies our private behaviors while redrawing the social and economic environments. Estimations for 2025 figure 21.5 billion objects and $1.500 billion sales 1 .

As a corollary of this massive deployment, numerous attempts to compromise the security of IoT systems occur, leading to devices takeovers, leaks of private data or availability disruptions [START_REF] Kolias | DDoS in the IoT: Mirai and Other Botnets[END_REF], [START_REF] Zillner | ZigBee exploited -The good, the bad and the ugly[END_REF]. Protecting IoT networks is more than ever necessary but it is a tough challenge. Indeed, IoT devices faces immediately two weaknesses, not present in traditional Information Technologies (IT) and making them first-choice targets [START_REF] Lee | Securing smart home: Technologies, security challenges, and security requirements[END_REF]:

• constrained resources: microcontrollers storage (down to the KB range) and processing capabilities, as well as communication reliabilities and throughputs, are often really low, mostly fitted for the main collect and transmit task.

Performing the execution of standard security algorithms used for instance in an authentication phase is almost impossible. This situation is often accentuated by the low-power requirements of devices running on batteries, • heterogeneities: protocol stacks (also termed "communication technologies" or "technologies" in this paper) used in IoT are numerous and present different openness, ranges, modulations, topologies and also various threats at each layer of stacks. Diversities of microcontrollers and operating systems yield to a great number of combinations as well. These multiple lacks of standardisation participate to IoT opaqueness [START_REF] Siby | IoTScanner: Detecting Privacy Threats in IoT Neighborhoods[END_REF] and scatters security efforts.

B. Peculiar characteristics of the smart-home ecosystem

Among the IoT fields presented above, the one called "smart home" allows house tenants to subtly manage the connected devices populating it: appliances, heaters, lights, safety systems, etc. This management is often conducted via smartphone applications from inside or outside the house. Not surprisingly, device sellers promise to consumers higher degrees of comfort and security as well as substantial financial savings. Figure 1 is an example of a simple smart-home installation featuring devices using several communication technologies, with their own topology: Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE) and Zigbee. When Smartphone 1 sends an order to Bulb 1, this message takes Wi-Fi, Ethernet and Zigbee paths. Complements for a full description of this figure are given in Section IV.

Concerning the two general IoT weaknesses presented at the previous subsection, smart-home environments naturally inherit from them. Combined with the typical smart-home user Figure 1. A smart-home implementation profile, we finally identify, from a security perspective, three specific characteristics for the smart-home ecosystem:

1) Several communication technologies: in other IoT fields, there is often a unique communication technology for a delimited part of a project. On the contrary, a typical smart home necessarily features in a small volume heterogeneous networks of devices. Wi-Fi, BLE and Zigbee are the most widespread but others might be taken into consideration too: Z-wave, LoRaWAN, OS4I 2 , etc. Additionally, some devices are stationary but others enter and go out with users, making the devices configuration always changing.

2) Cost-driven market: Even if manufacturers become more and more aware of the importance of introducing safe products to the market, several biases remain. Often, these manufacturers do not come from the IT world and hence have little security culture and a low expertise in writing safe firmwares. Furthermore, the update possibility of these latter (for an upgrade or for patching a discovered vulnerability) is often neglected, either for constraints reasons, economic ones or by fear of breaking retro-compatibility [START_REF] Zillner | ZigBee exploited -The good, the bad and the ugly[END_REF]. In this mass consumption segment, reduction of cost and time to market prevails to the detriment of security. Manufacturers are more preoccupied by seducing consumers, always proposing new low-cost functionalities running seamlessly. At the end, many smart-home devices present really degraded security implementation such as insecure wireless communications or custom authentication practices [START_REF] Kolias | Learning Internet-of-Things Security "Hands-On[END_REF].

3) Non-technical users: Unlike in an industrial context, smart-home users are not all engineers or technicians. Most of the time, they have little security culture (adopting for instance permanent weak passwords), and rare technical skills (preventing any subtle calibration during setup or maintenance phases). A smart-home user only legitimately wants its devices to perform their tasks without flaws or annoyance. In case of an attack, it is even probable that this one does not notice anything for a long time. 2 Open Stack for Internet of things C. Motivation: a Smart-Home Intrusion Detection System These three characteristics of the smart-home ecosystem induce the three following requirements for the design of a realistic protecting solution:

• it must handle the most widespread protocol stacks and easily accept new ones, hence being updatable, • its cost must be in relation with the ones of the protected objects,

• it has to be standalone when placed in an already deployed environment; lightweight, it should not ask too complex actions from user. Even if projects and organisations like [START_REF] Owasp | OWASP Internet of Things Project -OWASP[END_REF] and [START_REF] Enisa | Baseline Security Recommendations for IoT[END_REF] provide lists of good practices regarding IoT security, it is not surprising that successful and frequent attacks still occur, like the ones identified in [START_REF] Dhanjani | Abusing the Internet of Things [Book[END_REF] or layer-classified in [START_REF] Lee | Securing smart home: Technologies, security challenges, and security requirements[END_REF]. For a safer IoT, numerous and clever Intrusion Detection Systems (IDS) are proposed in the literature as a first line of defense 3 . Nevertheless, to our knowledge, none of them proposed a global approach considering the smart-home ecosystem in its entirety.

The main contributions of this work in progress are summarized below:

• we consider a holistic approach of the smart-home ecosystem (technically heterogeneous, cost-constrained and end-used by non-specialists) in order to design a welladapted IDS, providing sufficient added value so that it could be massively adopted by consumers, • we establish the characteristics and architecture of that IDS thanks to an IDS taxonomy and the peculiarities of the smart-home ecosystem. Several technical choices are also motivated. For instance, concerning wireless signal acquisition, the available solutions are compared. Concerning the intrusion detection algorithm, it is chosen among those of the unsupervised learning family, dispensing from the costly and unpracticable labelling required in supervised learning,

D. Paper organisation

The remainder of this paper is organised as follows: in Section II, a topology of IDS is recalled. In Section III, we summarize relevant works in relation with smart-home IDS. Section IV introduces a threat model. In Section V, the characteristics and architecture of a realistic smart-home IDS are established from previous sections. At last, Section VI concludes this paper and presents future work.

II. BACKGROUND A. IDS definition

An IDS is a tool aiming at detecting attacks against hosts of a network. For that purpose, it collects with probes data related to the states of network and/or hosts and analyses these data in search for attacks. When an attack is detected, the IDS can log it and generate an alert. Data can be collected and analysed from two different places: from the network or from hosts, leading respectively to Network IDS (NIDS) or Host IDS (HIDS), that can also possibly be combined together.

B. Criteria for a taxonomy of IDS in IoT

The three criteria of a commonly accepted taxonomy for IDS in IoT [START_REF] Zarpelão | A survey of intrusion detection in Internet of Things[END_REF] are illustrated in Figure 2 and described below:

1) "Placement strategies" criterion: This criterion corresponds to the repartition made between HIDS and NIDS to obtain the complete IDS. An HIDS is placed on the host, shares its low resources with the main task and must also conform to its operating system. It has logically access to intimate host data such as consumed bandwidth, logs or system calls, and sometimes even to side channel data like power consumption or temperature. Exploiting deciphered data is also possible. On the contrary, being integrated into a network node such as the gateway or in a dedicated system, NIDS have generally larger processing and storage capacities than HIDS, letting anticipate a comfortable use of the demanding detection methods discussed thereafter. They have access to more global data than HIDS but this data may be ciphered, regarding the analysed layer. Combining HIDS and NIDS to form a complete IDS, we may obtain:

• a "distributed placement" with a light HIDS implemented in each object [START_REF] Lee | A Lightweight Intrusion Detection Scheme Based on Energy Consumption Analysis in 6LowPAN[END_REF], • a "centralized placement" with a unique NIDS exploiting data from its probes [START_REF] Roux | RadIoT: Radio Communications Intrusion Detection for IoT -A Protocol Independent Approach[END_REF], • a "hybrid placement" with a NIDS and several HIDS, collaborating together in this case [START_REF] Raza | SVELTE: Real-time intrusion detection in the Internet of Things[END_REF]. 2) "Detection methods" criterion: Used for instance in [START_REF] Kasinathan | Denialof-Service detection in 6LoWPAN based Internet of Things[END_REF], the "signature-based detection" (or "misuse detection") compares the payload of messages to attack signatures stored in a database. This method only detects known attacks and has logically few false positives. However, keeping a low false negative rate relies on a challenging and rigorous maintenance of the database. It also suffers from significant costs of storage and processing, which is often incompatible with constrained systems. On the other side, the "anomaly-based detection" (or "behavioral detection"), more frequent in research papers, compares the behavior of the system to a model of normal functioning. Exceeding a deviation threshold indicates an anomaly, i.e., an attack [START_REF] Roux | RadIoT: Radio Communications Intrusion Detection for IoT -A Protocol Independent Approach[END_REF]. This method is effective in detecting new attacks, numerous in the IoT, including zero-day ones. However, if the model is too simple, it suffers from an excessive number of false positives since any situation deviating from the model is considered abnormal. Avoiding the complex synthesis of a legitimacy model by a human expert, artificial intelligence learning techniques, supervised or unsupervised, are often employed in anomaly-based methods but they can of course only be hosted in nodes with sufficient resources. Hybrid approaches mixing both methods exist in the literature [START_REF] Raza | SVELTE: Real-time intrusion detection in the Internet of Things[END_REF].

C. "Detected attacks" criterion

Most of the time, addressed attacks presented in "IDS for IoT" papers are first related to a specific communication technology, then, inside this one, a solution to detect an attack at a specific layer is presented, leading for instance to "Addressing sinkhole attacks in 6LoWPAN 4 ". Surveys dealing with IDS for IoT identify a lot of IDS positioning themselves that way [START_REF] Zarpelão | A survey of intrusion detection in Internet of Things[END_REF]. These approaches often present bright solutions and are valuable contributions to IDS knowledge but, to our opinion, we should not have the same approach to design a realistic smarthome IDS. At first, because the communication technology heterogeneity is not addressed in these works and secondly because the cost and human aspects are not tackled as well, preventing such IDS propositions to be adopted in real smarthome contexts. On the contrary, the next Section focuses on the rare works that have a significant contribution toward the design of some realistic smart-home IDS.

III. RELATED WORK

Protecting a network of connected devices often implies a first axis whose aim is to correctly identify present devices, or at least their types (e.g., brand and model of a communicating light bulb), allowing for instance an administrator to isolate a device infected by a malware. A second axis, complementary to the first one, is intrusion detection in the IoT network. Both often rely on some classification works performed by supervised methods of Machine Learning (ML). A rare third axis aims at classifying the attacks once they have been detected [START_REF] Anthi | A Supervised Intrusion Detection System for Smart Home IoT Devices[END_REF] providing useful information to plan efficient mitigations.

In [START_REF] Helluy-Lafont | Bluetooth devices fingerprinting using low cost SDR[END_REF], Helluy-Lafont et al. focus on the first axis by use of physical fingerprinting, achieving 99.8% recognition accuracy in a set of ten Bluetooth devices from different types. Using a communication technology-agnostic Software-Defined Radio (SDR) for signal acquisition, they construct their ML classifiers using features such as packets preamble duration, hopping clock skew and carrier clock skew. The recognition rate is excellent, initiating a strong authentication, but on the other side, the features, extracted from the physical layer, are necessarily specific to the studied technology. Also, as the authors say, SDR require expensive computation and are complex to handle by newcomers.

In IoTSentinel [START_REF] Miettinen | IoT SENTINEL: Automated Device-Type Identification for Security Enforcement in IoT[END_REF], the authors focus also on the first axis: for each device introduced to the network, a "Security Gateway" performs a fingerprint based on the device initial network traffic. As part of a cloud "IoT Security Service" receiving the fingerprint, a set of behavioral classifiers (one per device type) recognizes the type of the introduced device. Then, given this information, the vulnerability assessment part of the "IoT Security Service" tells the "Security Gateway" for known vulnerabilities within that device type. From this information, the "Security Gateway" performs if necessary a customized isolation of the introduced device. Not properly speaking an IDS, this "exclusion before damage occurs" solution obtains good results at identifying correctly a large range of device types. Moreover, it is rather hassle-free for users thanks to its automatization. But, as drawbacks (from our perspective of building a smart-home IDS), it only supports IP devices (as many "smart-home" works), relies on known vulnerabilities and its cost, though not evaluated, must be significant because of the global architecture and the necessity to train new devicetype classifiers as new devices appear on the market.

IoTScanner [START_REF] Siby | IoTScanner: Detecting Privacy Threats in IoT Neighborhoods[END_REF] is one of the first paper handling a real heterogeneous environment, featuring Wi-Fi, BLE and Zigbee technologies. Using one dedicated passive probe per technology, IoTScanner provides real-time analysis of the complex scanned network, without prior knowledge about it. It establishes nodes identification (thanks to their MAC addresses), links between them and at last the network structure, providing interesting insights for a technician user. Also, the authors say it is able to distinguish several types of devices without ML, using simple heuristics like sent-to-received ratio. Then, as IoTScanner uses low-cost off-the-shelf components, it makes it an affordable solution for smart-home contexts. IoTScanner brings interesting advances in smart-home protection but it remains fundamentally an analysis solution, not an IDS.

RadIoT [START_REF] Roux | RadIoT: Radio Communications Intrusion Detection for IoT -A Protocol Independent Approach[END_REF] is a non-invasive IDS aiming at detecting anomalies in an heterogeneous radio environment. It observes the power spectrum by bands of 100 MHz and possibly thinner ones to listen for existing channels (e.g., a specific Zigbee one). The power spectrum on a frequency band is represented by a few statistical properties. During several days without attacks, these properties feed an autoencoder that learns to compress its inputs and to reconstruct them. The anomaly detection is based on the observed error between the reconstructed data and the input data. In this interesting agnostic approach, a SDR is a tool of choice. It is used in sweep mode to measure power over the frequency bands. The protocol independency of this approach, its non-invasiveness on IoT hosts and its low hardware cost seems to make it a good candidate for a smart-home IDS. Moreover, Deny of Service (DoS) and rogue access point attacks, both conducted in Wi-Fi, are excellently detected. But on the other side, Zigbee attacks are almost not detected because this technology has lower power compared to the coexisting Wi-Fi. As another drawback, ensuring several days without attacks at installation phase and for each newly introduced device is significantly constraining. At last, the authors say a security expert should install and calibrate the solution, driving away the perspective of a cheap solution.

IoTHound [START_REF] Anantharaman | IoTHound: environment-agnostic device identification and monitoring[END_REF] is probably to date the most advanced work toward the desired IDS. Using one dedicated probe per technology (Wi-Fi, BLE and Zigbee), it automatically performs identification by grouping within clusters devices of the same type, according to their network behavior. The identification rates are promising. Also, the uncommon choice of an unsupervised method participates to an agnostic approach of the protecting solution and to its cost containment. A second contribution, illustrated with Wi-Fi, is that a continuous clustering analysis can act as an IDS by detecting a device abnormal behavior. Indeed, if a point, representing a device traffic characteristics in a n-dimension space, moves away significantly from its original cluster centroid, it might be an evidence of malicious activity. Sadly, this feature is not tested on BLE and Zigbee. At last, in another contribution, IoTHound uses the Received Signal Strength Indications given by the different antennas of a Wi-Fi router to approximately localize a Wi-Fi device. This allows to differentiate between instances of the same device type even in case of MAC randomization (sometimes adopted for privacy) or spoofing, hence providing an interesting authentication for static devices. Though brilliant, we are more sceptical about the practicability of this feature only tested on Wi-Fi, because it requires a multi-antenna open router and a Support Vector Machine device direction classifier per type of router.

In this paper, we focus on giving guidelines for the design of a realistic smart-home IDS that covers more than mainstream Wi-Fi, that has a reasonable cost by avoiding expensive upstream work and inadequate technical choices and that guarantees simplicity for users.

IV. THREAT MODEL

Alrawi et al., in their wide security evaluation of homebased IoT deployments [START_REF] Alrawi | SoK: Security Evaluation of Home-Based IoT Deployments[END_REF], see four main components for smart-home devices:

• the device itself,

• the mobile application interacting with it,

• some cloud endpoints (the Internet services that the device or the mobile application communicate with), • network communications (the local networks and Internet traffics between the first three components). For each of the four components, they identify possible attack vectors, possible mitigations and the stakeholder responsible for each of these latter. Then, as depicted on Figure 1, they complete their threat model by seeing three attacker types (from high to low risk of occurrence):

• the off-path attacker, working from the Internet, • the on-path attacker, working from the local networks,

• the neighbor attacker, exploiting means made possible

thanks to the open nature of the wireless communications medium: eavesdropping, message injection and jamming. Threats are therefore ubiquitous. But given the cost and simplicity requirements a smart-home IDS should necessarily meet, a monitoring of only the smart home inner networks may be considered to detect intrusions. Our large assumption is that attacks performed from any of the three aforementioned attackers will induce a behavior change that a home IDS can detect. Of course, this will have to be assessed.

V. IDS CHARACTERISTICS AND ARCHITECTURE

A. IDS characteristics obtained via IDS taxonomy

Crossing the requirements of a smart-home protection established in Section I-C with the two first IDS taxonomy criteria presented in Section II leads to the following first two IDS characteristics:

1) A centralized NIDS: Host IDS (both in distributed and hybrid placements) are inappropriate. Indeed, developing an additional IDS firmware for each type of deployed device and considering its upload process are not conceivable tasks because of the amount of work, the devices lack of resources and the non-openness of certain parts of protocol stacks. HIDS should also be avoided because they present a common path for both main task data and intrusion-relative data. This lack of independency can legitimately make us wonder if a device victim of a DoS attack would be able to signal it as it only benefits from degraded resources in that situation. On the contrary, a centralized NIDS presents the following advantages: its resources can be sized to the used detection algorithms and to the firmware update process (e.g., for supporting a new protocol stack and/or new attack detections); typically, a 60 Euros Raspberry Pi 4 should fit these purposes. The uniqueness of the IDS ensures mastered costs for design, maintenance and consumption. Also, like described in [START_REF] Kasinathan | Denialof-Service detection in 6LoWPAN based Internet of Things[END_REF], it is possible to consider a wired link between the acquisition probe(s) and the IDS processing part, making the IDS still working in case of jamming of the house. Of course, as a drawback, a centralized NIDS is itself the unique point of failure in the protection.

2) An anomaly-based detection: maintaining a significative attack signature database in the heterogeneous context of IoT is unrealistic. Also, the desired IDS should detect new attacks. At last, as an IoT device performs most of the time the same well-defined task, its normal behavior is rather regular [START_REF] Doshi | Machine Learning DDoS Detection for Consumer Internet of Things Devices[END_REF]. For these reasons, we opt for anomaly detection methods, keeping in mind to maintain a low rate of false positives. ML algorithms are deemed to be efficient in such topics, but they are also resource demanding.

B. Other IDS characteristics

The multi-technology coverage, low-cost and simplicty requirements also induce the following remaining characteristics:

1) An agnostic IDS: having an IDS able to deal with several communication technologies and accept new ones implies an IDS agnostic from protocol stacks. In that purpose, the IDS should be furtive and perform, if possible, only passive eavesdropping. Additionally, the IDS should have no initial knowledge of the used communication channels and eventual network identifiers.

2) A clustering algorithm for anomaly detection: as we saw, many intrusion detection solutions make use of supervised learning algorithms. In these methods, training and validating data obtention, features extraction and normalization, followed by the labelling of each point as characterizing a "presence of intrusion" or an "absence of intrusion", are expensive manual upstream steps, especially if they have to be repeated for different technologies. Useful and efficient in certain situations, this workflow is inappropriate in the cost-constrained context of our smart-home IDS (using already labelled datasets is an option but it is hard to find some dedicated to other traffics than IP). On the contrary, in an IT context [START_REF] Terzi | Big data analytics for network anomaly detection from netflow data[END_REF], Terzi et al. chose for their IDS an unsupervised learning. Data points do not have to be classified; they make clusters based on the resemblance of their features. Making the reasonable assumption that attacks are rare and statistically different from normal situations, the points representing the attacks, even unseen ones, will be located in specific clusters with low density, allowing their detection. In addition to being inexpensive, clustering fosters an agnostic approach.

3) Features extracted from OSI link layer: for agnosticism and reusability, features extracted to perform the detection should be common to all considered technologies. The most relevant communication layer where to extract features alimenting the ML model appears to be the link layer of the OSI model. First because the physical layer is too much technology-dependent. Then, because data above link layer is often ciphered. Deciphering it via the obtention of a key is inappropriate, at least for privacy reasons. Link layer packet headers (MAC addresses and packet type or length, etc.), conjugated with metadata like timestamps, provide interesting basis to construct features.

4) Inexpensive and efficient acquisition probes: two options may be considered concerning the wireless data acquisition and its processing:

• Software-Defined Radio (SDR): SDR are transceivers having only the physical layer implemented in hardware.

In appears non-practical. The overall hardware cost of the smart-home IDS should be under a hundred of euros, compatible with prices met in this segment. 5) A hassle-free IDS: in case of an attack in progress, the user should be alerted by a relevant notification on its smartphone, to possibly itself quarantine the infected host (as mitigation has not been tackled in this work). The IDS should be hardwired to the output router to prevent the notification transmission from being jammed. Also, complex setup or calibration should not be asked to the user, implicating to consider IDS ease of use from the beginning of the design.

The architecture of the proposed IDS is given Figure 3. It respects the characteristics established in the current Section.

VI. CONCLUSION AND FUTURE WORK

In this work, we considered a holistic approach of the smart-home ecosystem in order to establish the detailed characteristics an IDS should present to widely enter real smart-home environments: This IDS must handle the most widespread protocol stacks, be cheap and simple for users. These constraints led to decisive technical choices, presented in this paper. The future work will have for first mission to implement the proposed guidelines in a solution covering at least two technologies, proving a possible generalization. Then, a test protocol considering different attack types (observing the threat model we elected) will be set up in order to assess this "demonstrator" with the classical metrics: accuracy, recall and precision. At this stage, we will be able to say if our approach conducts to a worthwhile intrusion detection solution, bringing added value to smart-home security.

Figure 2 .

 2 Figure 2. A taxonomy of IDS in IoT

Figure 3 .

 3 Figure 3. Architecture of the proposed smart-home IDS

  Dedicated transceivers used as sniffers: Sniffers dedicated to a communication technology are low-cost (10 to 20 Euros), low-power and efficient. They directly provide link layer data in reliable conditions. Moreover, a set of different sniffers (e.g., CC2531 for Zigbee, etc.) can nowadays be replaced by a unique multi-protocol chip (e.g., nRF52840 handling 7 stacks, Pycom boards, etc.) ensuring containment of consumption, development time and cost. This option seems the best candidate for the acquisition part of a smart-home IDS, even if adding initially unplanned technologies during the IDS life

	acquisition mode, they capture wide bandwidths of
	signal in a technology-agnostic way while the upper
	layers are implemented in software, running on a CPU.
	At first sight, they look like the ideal tool, supporting
	potentially all protocols, even new ones by software
	updates. Unfortunately, the data they collect is huge
	(several MB/s, depending on SDR sample rate and
	resolution) and as SDR is not yet a mature field, a lot of
	time must be spent writing resource-costly demodulators
	and setting calibration gains. Furthermore, the price of
	an efficient SDR may reach several hundreds of Euros.
	Globally, it is difficult to obtain a really economical tool
	optimised for all considered communication technologies.

•

https://iot-analytics.com/state-of-the-iot-update-q1-q2-2018-number-of-iotdevices-now-7b/

Mitigation is the next step to intrusion detection. It consists in taking countermeasures reducing the harmful effects an infected device could provoke.

6LoWPAN is the network protocol of OS4I.


Valentin Maron
email: valentin.maron@gmail.com

Laurence Bordenave
email: bordenave@stimuli-asso.com

Barbara Govin
email: barbaragovin@gmail.com

Co-construction et expérimentation d'une bande dessinée numérique pour la classe : les Grandiloquents, épisode sur la gravitation

Keywords: co-construction, bande dessinée, gravitation, histoire des sciences, expérimentation co-construction, comic strip, gravitation, history of sciences, experimentation

Cette étude porte sur la conception et l'expérimentation d'une bande dessinée numérique sur le thème de la gravitation au niveau collège, co-écrite par des auteurs de BD et un chercheur en didactique de la physique. La co-écriture a permis d'établir une correspondance entre les objectifs didactiques et le fil conducteur du récit, en tirant parti des spécificités du médium. Après une présentation du contexte de la BD, la manière dont ont été articulés les choix didactiques, narratifs et graphiques sont discutées. Une première utilisation du storyboard a été expérimentée avec une classe de seconde générale et technologique au cours d'une séance. Les retours obtenus permettent d'identifier certains prérequis à la compréhension du raisonnement, des pistes d'amélioration du storyboard, et des recommandations concernant l'activité utilisant la bande dessinée comme support. Cette expérimentation ouvre également de nouvelles questions de recherche, dont celle de l'impact de l'humour sur la perception des éléments clefs du raisonnement.

I. Introduction

Les auteurs de bande dessinée s'emparent régulièrement des savoirs scientifiques pour construire des récits où la science, matière à conter, est au coeur de la narration visuelle. Écrits pour le grand public, ces ouvrages ont une portée informative variable selon les intentions médiatiques et artistiques des auteurs [START_REF] Bordenave | Les arcanes du récit de sciences en bande dessinée[END_REF]. Dans l'ensemble, les premières narrations graphiques scientifiques sont souvent explicatives, au sens où elles tentent de rendre accessible au lecteur des concepts, des phénomènes à la manière d'un ouvrage « scientifique ». C'est le cas par exemple des séries The Cartoon History of the Universe (1977), Les Aventures d'Anselme Lanturlu (1979) ou Manga Sciences (1991). D'autres collections de bandes dessinées plus récentes s'inspirent des codes du reportage pour donner au discours une couleur résolument informative, telle que l'oeuvre de Marion Montaigne. Certains documentaires graphiques affichent quant à eux une ambition surtout créative [START_REF] Raux | Bande dessinée et diffusion des savoirs scientifiques : l'avènement du documentaire graphique ? Rencontres Nationales de la Bande Dessinée 2 : Bande dessinée et éducation[END_REF], notamment par l'usage de métaphores visuelles figurant des concepts scientifiques. Ces bandes dessinées sont fréquemment le fruit de collaborations étroites au sein d'un duo scientifique-artiste, comme c'est le cas pour les tomes scientifiques de La Petite Bédéthèque des Savoirs. Des entretiens menés par [START_REF] Collver | Alter Egos: An exploration of the motivations, perspectives, and identities of science comic creators[END_REF] auprès d'auteurs anglophones de bandes dessinées scientifiques montrent que la plupart d'entre eux souhaitent divertir autant qu'informer, quelle que soit le type de narration empruntée.

L'évaluation de l'impact de ces bandes dessinées sur l'acquisition des informations mises à disposition dans ces récits reste en revanche peu étudiée [START_REF] Farinella | The potential of comics in science communication[END_REF]Tatalovic, 2009), et lorsqu'elle l'est, c'est principalement dans le contexte scolaire (primaire, secondaire et supérieur). Des recherches se sont ainsi intéressées à la façon dont la lecture de bandes dessinées scientifiques pouvaient transformer l'attitude vis-à-vis de la discipline traitée [START_REF] Hosler | Are comic books an effective way to engage nonmajors in learning and appreciating science[END_REF] ou déclencher des démarches d'investigation [START_REF] Arguel | Lumière sur la BD' : une approche modulaire de l'optique par l'analyse de vignettes issues de bandes dessinées[END_REF][START_REF] Blanquet | De la science en bulles pour des situations de départ en démarche d'investigation à l'école primaire ? Colloque Telling Science[END_REF] ; En outre, les expérimentations menées en classe s'appuient parfois sur des ouvrages de bande dessinée générale qui n'ont pas pour objet spécifique de transmettre des savoirs scientifiques, tels que Tintin (Chevalier, 2013 ;[START_REF] Durocher | Utiliser la Bande Dessinée en physique-chimie au collège[END_REF], Astérix ou Le Marsupilami [START_REF] Blanquet | De la science en bulles pour des situations de départ en démarche d'investigation à l'école primaire ? Colloque Telling Science[END_REF]. Dans ce cas, il s'agit de détourner l'intention initiale des auteurs en exploitant une vignette, une planche ou une situation d'une bande dessinée « classique » à des fins pédagogiques.

Des auteurs de BD de l'association Stimuli, spécialisée dans les liens entre bande dessinée et la transmission des sciences, et des chercheurs du Laboratoire de didactique André Revuz de l'Université Paris Diderot se sont associés pour concevoir et analyser, en collaboration, une série de bandes dessinées numériques pour le collège, et plus précisément le cycle 4 (5 e , 4 e , 3 e ). Actuellement en cours de développement cette série se nomme Les Grandiloquents. Dans ce projet, les chercheurs en didactique sont invités à participer activement au choix des thèmes, à la relecture, à l'amélioration du scénario et du storyboard de chaque épisode, et conduisent des expérimentations en classe de la série.

La série est prévue pour être composée d'épisodes de bande dessinée écrits et réalisés pour une lecture sur écran. La bande dessinée est donc ici conçue pour un fonctionnement rhétorique selon la typologie de Benoit [START_REF] Peeters | Lire la bande dessinée[END_REF], où les éléments formels (ici l'image et son apparition/disparition à l'écran) ont pour principale fonction de servir le récit. Les récits sont inspirés de l'histoire des sciences et ont pour principal objectif de faire émerger les conceptions initiales des élèves et de susciter le débat en classe. Un premier épisode pilote portant sur la circulation sanguine (Episode n°1) a déjà été expérimenté auprès de 4 classes de cinquième. L'évaluation a montré une diversité des pratiques enseignantes s'appuyant sur le récit graphique pour inviter les élèves à problématiser sur la circulation sanguine [START_REF] Pelé | Problématisation autour de la circulation sanguine en classe de cinquième à partir d'une bande dessinée utilisant l'histoire des sciences[END_REF][START_REF] Bordenave | Conception et analyse didactique d'une bande dessinée numérique sur l'histoire des sciences pour le collège : Les Grandiloquents[END_REF]. L'expérimentation de cet épisode n°1 a également permis de souligner que la longueur -et par conséquent le temps de lecture, de l'épisode était trop grande, et que le positionnement du problème mis en scène devait être plus explicite. L'objet du présent travail est de discuter la co-construction et l'expérimentation d'un nouvel épisode sur le thème de la gravitation (Episode n°2), inspiré d'une recherche en didactique sur ce sujet [START_REF] Maron | Une reconstruction conjointe de la dynamique et de la gravitation newtoniennes : conception et évaluation d'une séquence d'enseignement inspirée par l'histoire et l'épistémologie de la physique[END_REF]. Dans la première partie seront présentés le contexte de la série, les fondements de l'épisode, et la logique du cheminement conceptuel proposé afin de mettre en avant l'articulation entre les enjeux didactiques et les particularités du récit en bande dessinée. Nous présenterons dans une deuxième partie la méthodologie d'expérimentation de l'épisode, une synthèse des résultats, et les pistes d'amélioration qui en découlent pour l'épisode et son utilisation.

II. Co-construction d'un épisode

II.1. Principes narratif et graphique de la série

La narration de chaque épisode de la série est fondée sur la mise en scène de quatre adolescents membres d'un club de théâtre amenés à jouer des pièces faisant écho à l'histoire de la thématique scientifique traitée. A titre d'exemple, l'épisode n°1 sur la circulation sanguine met en scène les Grandiloquents (Diane, Iris, Titouan et Tom) en prise avec "Le Malade Imaginaire" de Molière, pièce où la controverse entre "irrigateurs" et "circulateurs" est suggérée par le dramaturge [START_REF] Pelé | Problématisation autour de la circulation sanguine en classe de cinquième à partir d'une bande dessinée utilisant l'histoire des sciences[END_REF].

L'objectif de ce choix narratif est double. Il invite les élèves à s'identifier aux personnages de la série par l'entremise des situations suscitées par le jeu théâtral d'adolescents de leur âge, et par conséquent à se confronter également aux questionnements auxquels les Grandiloquents doivent répondre au cours du récit. L'approche historique des savoirs est susceptible d'aider les élèves à la compréhension des obstacles épistémologiques rencontrés par les scientifiques dans le passé, par analogie avec les leurs, ainsi qu'à explorer les franchissements réalisés par ces scientifiques au cours de l'élaboration de leurs concepts, lois ou théories [START_REF] Audigier | Enseigner l'histoire des sciences et des techniques[END_REF]. De fait, le récit de bande dessinée est ici pensé pour interroger les élèves sur leurs propres conceptions et les guider dans la résolution des questionnements soulevés, avec l'aide de leur professeur.

Du point de vue graphique, les représentations des concepts scientifiques, lorsqu'elles sont nécessaires, sont inspirées principalement des représentations historiques (les planches anatomiques de Vésale au XVIème siècle dans l'épisode n°1, une illustration de Newton sur la gravitation dans l'épisode n°2). Toute représentation graphique des savoirs scientifiques telle que les schémas explicatifs est évitée pour ne pas empiéter sur la séquence pédagogique développée par l'enseignant. Par ailleurs, le parti-pris des auteurs est d'explorer d'autres mises en scène des contenus par la bande dessinée : par exemple, des mises en situations analogues entre le monde fictionnel et le monde réel permettant de visualiser une expérience de pensée, ainsi que des dialogues dans lesquels les élèves peuvent projeter leurs propres représentations d'un concept [START_REF] De Hosson | Les "dialogues sur la manière dont se fait la vision" : genèse d'une saynète didactique d'inspiration historique[END_REF].

II.2. Les fondements de l'épisode étudié

Plusieurs éléments interdépendants ont influencé l'écriture du récit de l'épisode n°2 sur la gravitation : les objectifs d'apprentissage du programme de physique-chimie pour le cycle 4 1 , l'état de l'art sur la recherche en didactique autour de la notion de gravitation, les principes iconiconarratifs de la série présentés en amont, la navigation numérique dans le récit et la pièce de théâtre choisie comme prétexte au récit. D'après la littérature en didactique sur la gravitation, l'obstacle majeur pour comprendre cette notion est l'idée que la gravité ou gravitation ne s'applique pas dans l'espace [START_REF] Kavanagh | Learning about Gravity II. Trajectories and Orbits: A Guide for Teachers and Curriculum Developers[END_REF].

L'objectif général défini en conséquence est alors de proposer un récit graphique permettant de montrer en quoi le mouvement orbital dans l'espace peut être relié au mouvement de chute libre sur Terre et ainsi à la notion de gravité.

Le développement multimédia choisi pour la bande dessinée finale tel que défini pour l'épisode n°1 [START_REF] Bordenave | Les arcanes du récit de sciences en bande dessinée[END_REF] est basé sur une navigation faisant apparaître ou disparaître les images (une case, une bulle, l'expression d'un personnage), selon les besoins de la narration. L'expérimentation en classe est réalisée à partir d'un fichier PDF du storyboard où chaque page correspond à une image, permettant une navigation à l'écran proche de celle prévue pour la lecture de la bande dessinée définitive.

La pièce de théâtre choisie pour construire le scénario est Micromégas, le conte de Voltaire dans lequel le philosophe met en scène deux géants (Micromégas et son comparse Saturnien) se déplaçant de planète en planète "grâce aux lois de la gravitation". Ce préalable permet d'envisager le paradoxe suivant : dans les médias, les images d'impesanteur dans lesquelles les astronautes "flottent" suggèrent qu'il n'y a pas de gravitation dans l'espace. Dès lors comment les géants de Voltaire pourraient-ils s'y déplacer "grâce aux lois de la gravitation" ? C'est à cette question que les élèves vont être confrontés, à travers les interrogations des personnages de la bande dessinée.

Conformément aux enseignements de la première expérimentation sur l'épisode n°1 (circulation sanguine), l'épisode n°2 sur la gravitation comprend 3 chapitres au lieu de 5 pour réduire le temps de lecture. Le problème est par ailleurs plus explicitement présenté dans le récit. L'épisode n°2 intitulé "Bon voyage, Monsieur Newton !" présente les quatre adolescents (les Grandiloquents) dans une salle d'escalade sur bloc où ils tentent d'expérimenter la chute de deux corps sur les tapis d'amortissement. Ils confrontent à cette occasion leurs idées préalables et leurs points de vue sur la notion de gravitation. Plus tard, sur scène, les Grandiloquents mettront à profit leurs réflexions en présentant leur adaptation de Micromégas selon leur interprétation de la physique newtonienne.

II.3. Logique du cheminement conceptuel proposé

L'idée qu'il n'y aurait pas de gravité dans l'espace peut être reliée aux images d'astronautes en impesanteur2 , très répandues dans les médias. Le terme de gravité étant associé dans le langage courant au phénomène de chute, le fait que les astronautes ne chutent pas mais « flottent » implique a priori une absence de gravité dans l'espace, selon un raisonnement commun qu'on peut résumer de la façon suivante : pas de chute, pas de gravité.

L'invalidité de cette logique, du point de vue de la physique, tient au fait que la notion de force de gravitéou force de gravitationpermet de rendre compte non seulement de la chute, verticale ou parabolique, mais également du mouvement orbital dans l'espace. Or les astronautes en impesanteur dans leur station spatiale, vus du centre de la Terre, ont bien un mouvement circulaire autour de la Terre.

Dépasser la logique initiale « pas de chute, pas de gravité » nécessite de comprendre comment la notion de gravité peut être étendue au mouvement orbital, visuellement très différent de celui de chute. L'enjeu didactique consiste ainsi à mettre en évidence les liens entre la chute sur Terre et le mouvement orbital. Le cheminement conceptuel conçu à cette fin est divisé en deux objectifs intermédiaires.

Objectif 1 : Mettre en évidence les points communs entre la chute libre et le mouvement orbital à partir de la situation d'impesanteur.

Le premier point commun est que la chute et le mouvement orbital apparaissent tous deux, du point de vue des corps en mouvement, comme des états d'impesanteur. Le second point commun est que ces deux types mouvements ne dépendent pas de la masse.

Objectif 2 : Justifier les points communs entre chute et mouvement orbital par leur continuité, en considérant la vitesse par rapport au sol.

La continuité entre les deux mouvements peut être visualisée avec l'expérience de pensée du "canon de Newton", où sont considérées les différentes trajectoires de chute d'un objet selon la vitesse fournie au départ. La chute verticale, la chute parabolique et le mouvement orbital peuvent alors être vus comme trois cas d'un même type de mouvement, à savoir le mouvement lié à la gravitation, justifiant ainsi les points communs mis en évidence.

Le cheminement conceptuel permettant d'atteindre ces objectifs didactiques est explicité directement dans le contexte du récit proposé, en relation avec les choix scénaristiques et graphiques.

II.4. Articulation des choix didactiques, scénaristiques et graphiques

II.4.1. Contexte et position du problème

Le contexte de la mise en scène choisi est celui d'une salle d'escalade sur bloc, où les personnages peuvent expérimenter par eux-mêmes la chute libre sur des tapis d'amortissement.

Exposer la situation et faire émerger un prérequis

Une scène d'introduction (Annexe 1) permet de rappeler une donnée nécessaire à la compréhension du récit : le fait que la chute ne dépende pas de la masse. Alors que deux personnages de masse visiblement différente tombent simultanément sur les tapis d'amortissement, ceux-ci évoquent l'expérience de Galilée selon laquelle la vitesse de chute des objets ne dépend pas de leur masse, lorsque l'influence de l'air peut être négligée (figure 1). S'appuyant sur une analogie possible entre une expérience historique et une expérience actuelle, la bande dessinée interpelle ici les élèves sur un supposé prérequis. La suite du cheminement vise à mettre en évidence un premier point commun entre chute et mouvement orbital : leur lien à l'état d'impesanteur, en changeant de point de vue. La première étape consiste à considérer le cas de la chute libre du point de vue d'une personne qui chute, via une expérience de pensée. Le contexte de la salle d'escalade permet de mettre en scène cette expérience : Tom et Titouan se laissent tomber d'un mur d'escalade sur un tapis (Annexe 3). Puisque leur vitesse ne dépend pas de leur masse, ils tombent à la même vitesse et se voient ainsi "flotter" l'un par rapport à l'autre.

Deux spécificités du média bande dessinée sont exploitées dans cette mise en scène. D'une part, le ralentissement du temps est visualisé par séquençage de la chute en plusieurs actions qui, dans la réalité, ne seraient pas perceptibles. D'autre part, le "pacte fictionnel", grâce auquel le lecteur feint de penser que ce que [les auteurs] nous raconte[nt] est réellement arrivé [START_REF] Eco | Six promenades dans les bois du roman[END_REF], invite à accepter le caractère irréaliste de ce ralentissement, compris implicitement comme visant à attirer l'attention sur cet instant. Ce choix de mise en scène graphique est prévu pour être enrichi par l'outil numérique dans la bande dessinée finalisée : la séquence visuelle sera animée par le défilement de l'arrière-plan au moyen d'un GIF animé, tandis que les personnages qui chutent resteront statiques à l'écran. Il est ainsi explicitement montré que des corps en mouvement (chute libre) peuvent paraître en impesanteur de leur propre point de vue. Envisagé pour une navigation sur écran, le séquençage des images peut alors permettre de valoriser ce changement pour qu'il suscite le questionnement suivant : au moment où Tom desserre les doigts, qu'arrive-t-il à la pomme ? Va-t-elle tomber plus vite, moins vite ou de la même façon que les personnages ? Lors d'une lecture collective en classe par vidéo-projection dont le rythme est contrôlé par l'enseignant, ce séquençage permet l'exploitation de ces questionnements. La réponse suggérée par le découpage en 3 étapes (figure 5) permet de mettre en évidence que la vitesse de la pomme est la même que celle de Tom et Titouan, puisqu'elle "flotte" relativement à eux. La mise en scène de cette expérience de pensée propre au récit fictionnel nous permet "de nous inscrire dans un processus de questionnement à propos du réel, mais aussi dans un travail de projection de nos propres représentations" [START_REF] Triquet | Album de fiction, obstacles sur la métamorphose et propositions didactiques[END_REF].

Figure 5 : écrans 41-43 du storyboard, épisode n°2 sur la gravitation

Un pacte fictionnel en BD pour interroger les élèves et favoriser les analogies

Le raisonnement se poursuit avec Diane et Iris, témoins de la chute de leurs camarades depuis le sol (Annexe 4). La compréhension que l'état d'impesanteur dépend du point de vue est extrapolée aux astronautes. En se demandant quel pourrait être leur mouvement d'un autre point de vue, les personnages prennent conscience que l'astronaute et sa station spatiale tournent autour de la Terre. Il s'agit d'un premier élément face au problème, qui consistait à se demander comment Micromégas pourrait se déplacer dans l'espace, alors que les astronautes, eux, flottent.

La dernière étape est la compréhension que le mouvement orbital ne dépend pas de la masse : l'astronaute et la station spatiale ont le même mouvement malgré leur masse différente, de la même façon que pour la chute. Cela permet à l'un des personnages de faire le lien avec la gravité sur Terre, et par extrapolation, d'apporter une justification au propos initial de Voltaire : Micromégas pourrait donc effectivement se déplacer dans l'espace grâce à la gravitation.

Cette scène implique une mise en situation hybride mêlant une image mentale d'un personnage (Iris) en orbite dans l'espace avec l'apparition d'une image "réaliste" de personnages sur Terre (Tom et Diane) dont la lecture permet de transposer le point de vue du lecteur dans l'espace (figure 6). Le médium bande dessinée permet également de juxtaposer les deux environnements (terrestre et spatial) en une image unique sans que la lecture du récit ne soit invraisemblable. Ici, les auteurs font le pari de la fiction comme contexte narratif permettant la vraisemblance de la situation. Le second objectif didactique consiste à mettre en évidence la continuité entre le mouvement de chute et le mouvement orbital, en s'appuyant sur le schéma du « canon de Newton » (figure 7), proposée par Newton dans "De mundi Systemate" en 1685 (publié en 1728). Cette expérience de pensée représente différentes trajectoires de chute d'un boulet de canon selon la vitesse fournie. Elle permet d'imaginer comment la chute parabolique, en augmentant la vitesse initiale, peut devenir une chute allant si loin que le rapprochement du sol soit compensé par la courbure de la Terre. L'objet se rapproche d'autant que la Terre "s'éloigne" en se courbant, au point qu'il fasse le tour : c'est le mouvement orbital autour de la Terre.

Figure 7 : Schéma du canon de Newton La chute verticale, la chute parabolique et le mouvement circulaire autour de la Terre pourrait donc être vus comme trois cas d'un même type de mouvement : le mouvement gravitationnel. Cette idée permet de comprendre les points communs mis en évidence entre la chute et du mouvement orbital (objectif 1), dont l'indépendance de la masse.

Une fiction théâtrale dans la fiction dessinée : vertu des récits emboîtés

Au chapitre 3 de l'épisode, les Grandiloquents, en répétition sur la scène d'un théâtre, jouent l'adaptation du final de Micromégas qu'ils ont imaginée. Appuyant son propos par un schéma (le "canon de Newton") dont il est l'auteur, Titouan (déguisé en Newton) demande à Tom et Diane (déguisés en géants) de l'aider à faire une expérience pour vérifier l'hypothèse selon laquelle un objet lancé assez fort depuis le sommet d'une montagne ne retomberait pas sur Terre (figure 8). Par ailleurs, la formulation de l'hypothèse énoncée par Titouan (Newton) est interprétée à l'écran par une image de pensée dans l'esprit des deux géants (Tom et Diane), moyen propre à la bande dessinée pour donner à voir, sans les expliciter, les références aux expériences discutées en amont dans le récit.

Enfin, l'expérience newtonienne est ainsi représentée (Annexe 6) : Tom (Micromégas) jette alors dans les airs un Playmobil figurant le petit homme qu'est Newton comparé aux géants (figure 9). Lancé d'un côté de la scène, le playmobil-Newton resurgit depuis l'autre côté, mimant ainsi un invraisemblable tour de la Terre. Images enchaînées sans commentaire, la scène théâtrale qui clôture également l'épisode de bande dessinée est laissée à l'interprétation des élèves. C'est une fin ouverte susceptible d'ouvrir un débat en classe sur l'expérience proprement dite. Le storyboard de l'épisode sur la gravitation a été expérimenté avec une classe de seconde générale et technologique dans laquelle enseigne un des auteurs. Bien que de niveau supérieur au niveau ciblé par la ressource (cycle 4), les élèves ont été choisis pour participer de manière plus efficace au processus de conception de la série : les auteurs comptent en effet sur une plus grande capacité chez ces lecteurs à exprimer leurs erreurs ou leur incompréhension. L'expérimentation s'est déroulée au cours d'une séance de 1h30, en commençant par une lecture du storyboard sur écran d'ordinateur, suivie par une activité en binôme sur les différentes scènes clefs et le renseignement d'un questionnaire. Vingt-et-un élèves étaient présents, soit 10 binômes et un trinôme.

Cette première expérimentation exploratoire vise à recueillir des informations permettant d'orienter la conception d'une version améliorée du storyboard avant la réalisation de la bande dessinée proprement dite, ainsi que la conception de ressources d'accompagnement destinées aux enseignants impliqués dans l'utilisation de l'épisode. Les données obtenues permettront également de guider la mise en place d'une nouvelle expérimentation en classe, en précisant les questions de recherche et la méthodologie.

Les différentes phases de l'expérimentation, les questions de recherche associées, et le type de données recueillies sont synthétisées dans le tableau ci-dessous :

III.2. Résultats & discussions

III.2.1 -Partie 1 -Découverte de la BD : quel impact de la première lecture ? Peu de difficultés de lecture La première lecture de la bande dessinée semble fluide pour la majorité des élèves. A la question des "pages qui ne sont pas claires pour vous", 9 élèves sur 21 n'en mentionnent aucune. Parmi les pages indiquées comme pas claires, aucun consensus particulier n'émerge. Seule une page est mentionnée par 2 élèves : celle où apparaît la distinction entre les termes de gravité et de gravitation. Cette difficulté invite à réfléchir sur le moment d'aborder cette distinction de vocabulaire dans le travail avec la bande dessinée.

L'humour est plébiscité

Concernant les "pages qui vous ont particulièrement plus", quatre passages sont cités entre 6 et 15 fois. Ceux-ci ont pour point commun la chute des personnages, dont la mise en image a interpellé les élèves :

-les écrans 15 à 17 : chute commune de Diane et Tom, pour 6/21 élèves.

-les écrans 21 à 24 : chute de Diane, pour 6/21 élèves.

-les écrans 33 à 44 : chute simultanée de Tom, Titouan et la pomme pour 15/21 élèves.

les écrans 78 à 84 : expérience finale du "lancé de Newton" sur la scène du théâtre, pour 8/21 élèves.

Les élèves apprécient positivement l'humour dans les scènes préférées (13/15 commentaires). D'autres commentaires (4) évoquent la clarté des séquences : "Les scènes sont claires et drôles", "La façon dont le mouvement d'un objet par rapport à un autre est amusante et compréhensible", "On comprend toute la bande dessinée", ou encore "Cela m'a fait apprendre des choses".

Dans quatre autres commentaires, la réalisation d'expériences par les personnages semble marquer positivement les élèves, par exemple : "J'ai aimé ces pages car ils ont testé pour voir si ils tombent à la même vitesse", "Ces quelques pages m'ont plu car c'est le moment où il mettent en exécution leur expérience", "L'expérience n'est pas totalement possible donc c'est marrant".

Une difficulté inattendue : l'indépendance de la masse lors de la chute

Les enregistrements des discussions au sein de trois binômes révèlent que l'indépendance de la masse lors de la chute est une information nouvelle pour certains élèves, et non un prérequis comme supposé par les auteurs. Un élève s'étonne par exemple : "Ils tombent à la même vitesse, quelle que soit leur masse, je savais pas ça, ça m'intéresse". Le caractère contre intuitif de cette proposition est soulevé un autre élève : "Monsieur ça c'est faux. Non enfin c'est pas faux mais c'est étonnant parce nous quand on fait tomber deux objets qui ont pas du tout le même poids ils tombent pas en même temps". Deux binômes font une expérience de chute simultanée de deux objets de masse différente, sans réussir à conclure. Bien que déjà vu en classe au cours de l'année, l'indépendance de la masse lors de la chute reste un sujet de discussion entre les élèves.

Nous pouvons supposer que l'effort fourni par les élèves pour accepter l'indépendance de la masse rend d'autant plus difficile leur appropriation de la suite du raisonnement. Cette observation est cruciale pour l'usage de l'épisode en classe : le traitement de la chute libre en amont de la lecture est indispensable afin que l'indépendance de la masse lors de la chute puisse être considérée comme un rappel.

III.2.2 -Partie 2 -Relecture détaillée : quelle compréhension des scènes clefs ?

Objectif didactique n°1 : liens entre la chute et l'impesanteur

La première question posée concerne la compréhension de la scène de chute simultanée de Titouan, Tom et la pomme, et ses liens possibles avec un astronaute en orbite autour de la Terre (voir énoncé dans le Tableau 1, Partie 2). Deux liens sont attendus entre la chute et la situation d'impesanteur : -l'état d'impesanteur ou de mouvement dépend du point de vue, -la chute et le mouvement orbital ne dépendent pas de la masse.

D'après les enregistrements et les traces écrites de l'activité, seuls 2 élèves sur 21 expriment ces deux liens par eux-mêmes, sans intervention de l'enseignant. Trois élèves saisissent seulement le premier lien, et 2 saisissent seulement le second.

Cette incompréhension très majoritaire de la scène centrale peut être rapprochée dans un premier temps du sentiment de clarté et d'amusement exprimé par la grande majorité des élèves. La plupart d'entre eux ne comprennent pas la logique du raisonnement présenté, sans pour autant ressentir de difficulté ou de confusion lors de la lecture. Leur intérêt pour la narration et la mise en image amusante de ce passage semble faire écran à la difficulté conceptuelle que la scène supporte. Une question de recherche pour une future expérimentation serait dès lors de déterminer l'impact de l'humour dans la lecture du récit vis-à-vis de la compréhension du raisonnement sous-jacent. Il s'agirait de déterminer si la lecture de scènes humoristiques portant une information didactique clef, est un paramètre favorisant ou au contraire faisant obstacle à la perception de l'information.

D'autre part, le faible taux de compréhension obtenu lors de la première question indique que celle-ci nécessite d'être explicitée davantage, afin de guider plus progressivement les élèves vers les mises en relation recherchées. Une série de questions intermédiaires, pour une future expérimentation, pourrait consister à questionner d'une part les deux mouvements relativement à chacun des points de vue (interne ou lié à la Terre), puis demander de comparer explicitement les masses dans les deux cas (voir annexe 7A pour une formulation explicite de ces questions).

Objectif didactique n°2 : continuité entre chute et mouvement orbital

La deuxième question posée dans l'activité concerne la comparaison de plusieurs trajectoires montrant la continuité entre la chute courbe et le mouvement orbital (voir Figure 6 : écran 72 du storyboard) : "Quels sont les points communs ou différences entre les trajectoires 1, 2 et 3 concernant :

-le rôle de la masse (le mouvement serait-il le même si la masse de l'objet était différente ?), -la valeur de la vitesse transmise à l'objet au moment du lancer ?" Le point commun attendu est que pour chaque cas le mouvement ne dépend pas de la masse, et la différence attendue est la vitesse de lancer pour chaque cas.

A

III.2.3 -Partie 3 -Perception et appréciation globale de la bande dessinée

La dernière partie de l'expérimentation consiste en un court questionnaire sur la perception générale de la bande dessinée.

Appréciation plutôt positive de la bande dessinée

Environ la moitié des élèves a apprécié positivement la lecture du storyboard parce qu'ils l'ont jugé amusant (12/21) et/ou instructif (8/21)4 . A la question « Le format BD vous a-t-il motivé pour essayer de comprendre un sujet scientifique ?5 », la moitié des élèves a trouvé que le format BD a répondu positivement (5 "oui", 6 "oui beaucoup") et 2 "pas vraiment".

L'identification aux personnages est variable, avec une prédominance pour Titouan, en raison de l'expérience de saut qu'il suggère et qu'il met en oeuvre6 . Quatre élèves ne se sont identifiés à aucun des personnages.

Perception de la difficulté de l'activité

Trois élèves indiquent avoir perçu l'activité comme "facile" ou "très facile" 7 . Une large majorité des élèves (17/21) comme "ni trop facile, ni trop difficile". Aucun élève n'a perçu l'activité comme "difficile" ou "très difficile, malgré la faible proportion ayant réussi à comprendre le cheminement conceptuel proposé. Ce constat nous incite à nouveau à questionner le lien entre l'appréciation du récit -en particulier sa tonalité humoristique -et la compréhension effective du raisonnement qu'il sous-tend. Ce point devra être questionné lors de la prochaine expérimentation. Par ailleurs, 9/21 élèves déclarent que l'activité sur la BD leur a permis de comprendre quelque chose de nouveau sur la gravitation. Cependant cinq parmi eux mentionnent l'indépendance de la masse lors de la chute.

Cela montre à quel point cet aspect, considéré a priori comme un rappel d'un fait connu, les a marqués au point d'être le principal point retenu.

IV. Conclusion

Notre travail a consisté à concevoir et à expérimenter un support d'enseignement en sciencesphysiques sur la gravitation sous la forme d'un épisode de bande dessinée numérique intitulé « Bon voyage, Monsieur Newton ! ». Inclus dans la série « Les Grandiloquents » en cours de développement, l'épisode sur la gravitation a fait l'objet d'une co-construction associant scénariste, dessinatrice et chercheur en didactique de la discipline. Cette co-écriture permet d'élaborer un récit au sein duquel les intentions didactiques contraignent ou se nourrissent du format bande dessinée. Contrairement aux bandes dessinées scientifiques habituelles, la série n'a pas pour objectif de fournir des informations scientifiques au lectorat mais plutôt de questionner les élèves et de les guider dans le suivi d'un raisonnement, grâce à l'accompagnement de leur professeur.

La conception en question dans l'épisode est l'idée selon laquelle il n'y a pas de gravité dans l'espace. La première étape de la stratégie didactique proposée consiste à mettre en évidence, à partir de l'état d'impesanteur, que le mouvement d'astronautes en orbite ne dépend pas de la masse, de même que pour la chute libre. Cette proposition permet de relier la gravité terrestre et le mouvement orbital en amont du concept plus général de force gravitationnelle, non visualisable par définition. L'établissement d'un lienl'indépendance de la masse -uniquement à partir de l'observation des mouvements représente une approche didactique originale au regard de la littérature sur le sujet. La recherche de mise en images du contenu a ainsi permis de dégager un argument visuel pour étendre la notion de gravité à l'espace, argument qui pourra également être utilisé dans d'autres contextes.

La structure du raisonnement proposé constitue le squelette de la trame narrative de l'épisode. Nous montrons qu'il est possible de faire correspondre le fil conducteur du récit avec le cheminement conceptuel qui prévaut sur le propos. La scène d'exposition, l'élément déclencheur et la résolution du conflit sont consubstantiels de l'émergence des prérequis, du positionnement du problème à résoudre et de sa résolution. Cela implique des choix de mises en scène (transposition d'expériences de chutes libres dans le monde réel de jeunes adolescents tel que le permet le cadre d'une salle d'escalade), des choix de mises en situation (de personnages en train de jouer la comédie, de dialogues contradictoires) et de choix de mises en images (représentations visuelles des pensées des personnages, cadrage et point de vue du lecteur) adaptés aux contenus didactiques.

A contrario, la mise en scène en bande dessinée, et le format numérique par ailleurs, conditionnent la place des savoirs dans le récit et les possibilités de questionner ces savoirs. A cet égard, la proposition didactique centrale, basée sur l'indépendance de la masse et le changement de point de vue, a été choisie et approfondie pour l'apport potentiel des outils sémiotiques qu'offre le médium bande dessinée, telle que la représentation d'une scène de chute sous différents points de vue. Dans cet exemple, les auteurs ont mis à contribution les propriétés intrinsèques à la bande dessinée (séquençage d'une action), celles de la fiction (ralentissement du temps, moins adapté au documentaire graphique par exemple) et du format numérique (animation d'un décor accentuant le mouvement représenté). D'autres particularités du récit graphique telles que les images de pensée

Figure 1 :

 1 Figure 1 : écrans 15, 16 et 17 du storyboard, épisode n°2 sur la gravitation

Figure 2 :

 2 Figure 2 : écran 25 du storyboard, épisode n°2 sur la gravitation

Figure 3 :

 3 Figure 3 : écrans 26 à 28 du storyboard, épisode n°2 sur la gravitation

Figure 4 :

 4 Figure 4 : écran 40 du storyboard, épisode n°2 sur la gravitation

Figure 6 :

 6 Figure 6 : écrans 48 et 51 du storyboard, épisode n°2 sur la gravitation

Figure 8 :

 8 Figure 8 : écran 72 du storyboard, épisode n°2 sur la gravitation

Figure 9 :

 9 Figure 9 : écran 82 du storyboard, épisode n°2 sur la gravitation

  Tableau 1 : Protocole expérimental de l'utilisation en classe

		Questions de		Exemples de questions	Données
		recherche		posées aux élèves		recueillies
	Partie 1	Quel est l'impact de	« Indiquer les numéros	Numéros de pages
		la première lecture	des pages 3 où ce n'est	et traces écrites des
	Découverte de la	chez les élèves ?	pas clair pour vous » et	justifications
	bande dessinée	(évaluation		de	celles « qui vous ont
	(15 minutes)	l'appréciation et de la	particulièrement plu »
	Lecture en binôme sur écran d'ordinateur	clarté du récit)		Demande d'explicitation à l'écrit.
		Quelle	est	la	« Relire les pages 33 à	Enregistrements
	Partie 2	compréhension des	53 et discuter en	audio	des
		élèves des scènes	binôme de ce que vous	discussions	en
	Relecture	clefs,	sans	avez compris de cette	binôme et capture
	détaillée	intervention	de	partie de la BD. Après	vidéo des écrans
	(40 minutes)	l'enseignant ?		cette	discussion,	d'ordinateur	sur
	Relecture des scènes clefs guidées par une question et binôme discussion en	? situations différentes Dans quelle mesure les élèves sont-ils capables de mobiliser ce qu'ils ont compris de la BD dans des	expliquez avec vos l'espace (p.47). » d'impesanteur dans propres mots les liens entre l'expérience proposée par Titouan (p.33) et la situation	lesquels les élèves naviguent dans la bande dessinée. Traces écrites.
		A l'issue du travail,	« Cette activité vous a-	Questionnaires à
		quelle perception des	t-elle	permis	de	choix multiples et
	Partie 3	élèves	de	la	comprendre	quelque	réponses	aux
	bande dessinée globale de la appréciation Perception et	dessinée ? motivant de la bande et du caractère difficulté, de l'utilité,	« Le format BD vous a-gravitation ? » concernant la chose de nouveau	questions ouvertes.
	(15 minutes)				t-il motivé pour essayer
					de comprendre un sujet
					scientifique ? »

3 ici une page est équivalente à un écran dans le texte de l'article

  cette question, 7 élèves indiquent que le mouvement serait le même si la masse était différente, et 8 (dont 6 des précédents) indiquent que le mouvement dépend de la vitesse. Pour les élèves répondant correctement, la capture de la navigation sur écran permet de constater des allers-retours dans le récit pour repérer les différentes scènes de la bande dessinée utiles pour leurs réponses. C'est le cas par exemple d'un élève revenant sur la scène de la chute de Diane et Tom (écrans 16-17) pour argumenter :"-En gros est-ce que si la masse de l'objet est différente est-ce que il tombera de la même façon ? Plus vite, moins vite ? -Ben il avait pas dit que tout tombe à la même vitesse je sais pas quoi là.-que ils tombaient en même temps. Ouais ben attend regarde, tu vas voir[retour à la p.16-17] quand ils vont tomber ils vont tomber en même temps j'crois. Ben oui parce que... Cet exemple montre que les élèves ont pu s'appuyer sur des informations qu'ils ont localisées dans le récit, et s'y référer pour argumenter leur propos dans le débat. Cette observation illustre un des intérêts du médium bande dessinée dont les séquences visuelles peuvent s'avérer propices à la mémorisation de situations-clefs. La lecture sur écran quant à elle, peut favoriser les allers-retours dans le récit rapidement.La faible proportion d'élèves réussissant à répondre correctement montre de nouveau que la question n'est pas suffisamment guidée pour être accessible à une majorité d'élèves. Une première suggestion serait l'ajout du cas de la chute verticale sur le schéma de Newton (figure6) de façon à faciliter le lien avec la question précédente. Avec cette modification, la question pourrait alors être reformulée en proposant d'imaginer le point de vue des personnages en chute s'ils étaient lâchés ou lancés plus ou moins fort par le géant, selon chacune des trajectoires du schéma (voir annexe 7B pour une formulation complète des questions). Considérer ces différents cas permet de comprendre le lien entre l'état d'impesanteur lors la chute verticale et l'état d'impesanteur en orbite : quelle que soit la vitesse de lancer, les personnages et la pomme ayant la même vitesse initiale, ils ont tous le même mouvement, et donc de leur point de vue, flottent les uns par rapport aux autres.

	-...les corps tombent à la même vitesse, quelle que soit leur masse!
	-Ben moi je dis la masse n'a pas d'impact."

Le terme « impesanteur » est préféré à celui d'« apesanteur », depuis un arrêté de 1995 relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales : « Le terme apesanteur est déconseillé pour éviter, dans le langage parlé, une confusion entre l'apesanteur et la pesanteur » (http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000000187248). Outre cette raison phonétique, le « a » privatif renforce l'association de l'état d'« apesanteur » à une absence de pesanteur, et ainsi par association : à l'absence de gravité dans l'espace.

La question posée était : « La lecture de la BD que vous venez de lire vous a-t-elle plutôt : ».

Avec comme items : « ».

On peut noter de plus que sur les 6 élèves indiquant s'être identifié à Titouan, il y a autant de garçons que de filles.

La question posée était : « Avez-vous trouvé l'activité proposée en binôme : ».

Annexe 7 -Nouvelles propositions de questions pour une future expérimentation A -Reformulation de la question sur la première scène clefs : la chute de Titouan, Tom et la pomme, mise en relation avec l'astronaute en mouvement orbital (les réponses attendues sont entre parenthèses) :

1) Quel est le mouvement de la pomme lâchée par Tom au cours de la chute : -du point de vue de Titouan et Tom ? (elle flotte) -du point de vue de Iris et Diane au sol ? (elle a le même mouvement de chute qu'eux)

2) Quel serait le mouvement d'une pomme qui serait lâchée par un astronaute en impesanteur : -du point de vue de l'astronaute ? (elle flotte) -du point de vue du centre de la Terre ? (elle a le même mouvement orbital que lui)

3) Que peut-on dire des masses de Titouan, Tom et de la pomme ? Leur mouvement à chacun dépend-il de leur masse ? (les masses sont différentes, le mouvement ne dépend pas de la masse) 4) Que peut-on dire des masses de l'astronaute, de la station spatiale, et de la pomme ? Leur mouvement à chacun dépend-il de leur masse ? (les masses sont différentes, le mouvement ne dépend pas de la masse) 5) A partir des questions précédentes : quels sont les deux points communs entre le mouvement de chute et le mouvement de l'astronaute en orbite ? (ils ne dépendent pas de la masse, -ils sont perçus "de l'intérieur" comme un état d'impesanteur) B -Reformulation de question sur la seconde scène clef : la mise en scène du schéma de Newton 1) D'après le schéma de Newton, qu'est-ce qui différencie les différentes trajectoires ? (la vitesse de lancer) Comment peut-on passer de la chute verticale au mouvement circulaire ? (en augmentant la vitesse de lancer)

2) On a vu précédemment que pour la chute verticale comme pour le mouvement circulaire autour de la Terre, le mouvement est le même quelle que soit la masse de l'objet. Que peut-on en déduire pour les trajectoires courbes 1 et 2 du schéma concernant la masse ? (à nouveau le mouvement de chute courbe ne dépend pas de la masse)

3) On imagine Titouan, Tom et la pomme dans le cas des différentes trajectoires représentées sur le schéma (comme s'ils étaient lâchés ou jetés) par le géant. Comment se verraient-ils, de leur point de vue : -s'ils étaient lâchés de la main du géant ? (en impesanteur) -s'ils étaient lancés en avant par celui-ci (trajectoire 1 ou 2) ? (en impesanteur) -s'ils étaient lancés si vite qu'ils soient en orbite (trajectoire 3) ? (impesanteur)