Défis scientifiques CYCLES 1, 2 ET 3 (année scolaire 2010 ... · Cycles 2 et 3 « Concevoir et fabriquer une ou plusieurs machines capables de monter l’eau d’un récipient A

Nîmes le 17 juin 2010 Monsieur Patrick Cénent IEN Circonscription de Manduel Responsable de la mission SCIENCES à Mesdames et Messieurs les chefs d’établissements des collèges Mesdames et Messieurs les Professeurs de l’Education nationale Dans le département du Gard. Le groupe départemental SCIENCES à l’Ecole Primaire a décidé de reconduire l’organisation de deux défis départementaux pour l’année scolaire 2010-2011. C’est en effet plus d’une centaine de classes du département qui a participé à cette manifestation. Ce courrier a pour objectif de vous donner toutes les précisions nécessaires concernant les thèmes retenus et les modalités d’organisation de ce projet qui aura pour but de développer l’enseignement des activités scientifiques et technologiques et constituera une excellente occasion pour favoriser la liaison école-collège en travaillant plus particulièrement sur celle des CM2 / 6émes. Les principes retenus :

−−−− Un défi réalisable ⇒ qui ne fasse pas peur à des enseignants peu sûrs d’eux… −−−− Un défi peu coûteux. −−−− Un défi de proximité ⇒ encourager des défis favorisant les liaisons GS / CP et CM2 / 6ème, les défis

internes à l’école ou entre groupes scolaires de proximité, etc.

Défis scientifiques CYCLES 1, 2 ET 3 (année scolaire 2010/2011). OBJECTIFS Les instructions officielles de l’Ecole Primaire rappellent : Cycle 1 : COMPETENCES A la fin de l’école maternelle l’enfant est capable de : -reconnaître, nommer, décrire, comparer, ranger et classer des matières, des objets selon leurs usages DECOUVRIR LE MONDE À l’école maternelle, l’enfant découvre le monde proche ; il apprend à prendre et à utiliser des repères spatiaux et temporels. Il observe, il pose des questions et progresse dans la formulation de ses interrogations vers plus de rationalité. Il apprend à adopter un autre point de vue que le

sien propre et sa confrontation avec la pensée logique lui donne le goût du raisonnement. Il devient capable de compter, de classer, d’ordonner et de décrire, grâce au langage et à des formes variées de représentation (dessins, schémas). Il commence à comprendre ce qui distingue le vivant du non-vivant (matière, objets). Découvrir la matière C’est en coupant, en modelant, en assemblant, en agissant sur les matériaux usuels comme le bois, la terre, le papier, le carton, l’eau, etc., que les enfants repèrent leurs caractéristiques simples. C’est en agissant sur les matériaux usuels comme l’eau que les enfants repèrent les caractéristiques simples de la matière. Découvrir le monde des objets Les enfants découvrent des objets usuels et comprennent leur usage : à quoi ils servent, comment on les utilise. Découvrir le vivant Les enfants observent les différentes manifestations de la vie. Ils sont sensibilisés aux problèmes de l’environnement et apprennent à respecter la vie. Découvrir les formes et les grandeurs En manipulant des objets variés, les enfants repèrent d’abord des propriétés simples (petit/grand ; lourd/léger). Progressivement, ils parviennent à distinguer plusieurs critères, à comparer et à classer selon la forme, la taille, la masse, la contenance. Approcher les quantités et les nombres Les situations proposées aux plus jeunes enfants (distributions, comparaisons, appariements...) les conduisent à dépasser une approche perceptive globale des collections. L’accompagnement qu’assure l’enseignant en questionnant (comment, pourquoi, etc.) et en commentant ce qui est réalisé avec des mots justes, dont les mots-nombres, aide à la prise de conscience. Progressivement, les enfants acquièrent la suite des nombres au moins jusqu’à 30 et apprennent à l’utiliser pour dénombrer. Dès le début, les nombres sont utilisés dans des situations où ils ont un sens et constituent le moyen le plus efficace pour parvenir au but : jeux, activités de la classe, problèmes posés par l’enseignant de comparaison, d’augmentation, de réunion, de distribution, de partage. La taille des collections, le fait de pouvoir agir ou non sur les objets sont des variables importantes que l’enseignant utilise pour adapter les situations aux capacités de chacun. PERCEVOIR, SENTIR, IMAGINER, CREER Le dessin et les compositions plastiques (fabrication d’objets) sont les moyens d’expression privilégiés. Les enfants expérimentent les divers instruments, supports et procédés du dessin. Ils découvrent, utilisent et réalisent des images et des objets de natures variées. Ils construisent des objets en utilisant peinture, papiers collés, collage en relief, assemblage, modelage... Dans ce contexte, l’enseignant aide les enfants à exprimer ce qu’ils perçoivent, à évoquer leurs projets et leurs réalisations ; il les conduit à utiliser, pour ce faire, un vocabulaire adapté. Il les encourage à commencer une collection personnelle d’objets à valeur esthétique et affective. Cycle 2 : COMPETENCE DU SOCLE COMMUN Compétence 3 : Les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique L’élève est capable de : - observer et décrire pour mener des investigations.

DECOUVERTE DU MONDE Ils [les élèves] dépassent leurs représentations initiales en observant et en manipulant. Découvrir le monde du vivant, de la matière et des objets

Ils [les élèves] comprennent les interactions entre les êtres vivants et leur environnement et ils apprennent à respecter l’environnement. Les élèves distinguent les solides les liquides. Ils réalisent des maquettes élémentaires pour comprendre le fonctionnement d’un appareil. MATHEMATIQUES L’apprentissage des mathématiques développe l’imagination, la rigueur et la précision ainsi que le goût du raisonnement. Nombres et calculs Ils [les élèves] dénombrent des collections, … Organisation et gestion des données L’élève utilise progressivement des représentations usuelles : tableaux, graphiques. PRATIQUES ARTISTIQUES ET HISTOIRE DES ARTS Arts visuels Les arts visuels regroupent les arts plastiques, le cinéma, la photographie, le design, les arts numériques. Leur enseignement s’appuie sur une pratique régulière et diversifiée de l’expression plastique, du dessin et la réalisation d’images fixes ou mobiles. Il mobilise des techniques traditionnelles (peinture, dessin) ou plus contemporaines (photographie numérique, cinéma, vidéo, infographie) et propose des procédures simples mais combinées (recouvrement, tracés, collage/montage). Ces pratiques s’exercent autant en surface qu’en volume à partir d’instruments, de gestes techniques, de médiums et de supports variés. Les élèves sont conduits à exprimer ce qu’ils perçoivent, à imaginer et évoquer leurs projets et leurs réalisations en utilisant un vocabulaire approprié. Cycle 3 : COMPETENCE DU SOCLE COMMUN Compétence 3 : Les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique La culture scientifique et technologique L’élève est capable de : - pratiquer une démarche d’investigation : savoir observer, questionner ; - manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter ; - mettre à l’essai plusieurs pistes de solutions ; - exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral ; - maîtriser des connaissances dans divers domaines scientifiques ; - mobiliser ses connaissances dans des contextes scientifiques différents et dans des activités de la vie courante ; SCIENCES EXPERIMENTALES ET TECHNOLOGIE Les sciences expérimentales et les technologies ont pour objectif de comprendre et de décrire le monde réel, celui de la nature et celui construit par l’Homme, d’agir sur lui, et de maîtriser les changements induits par l’activité humaine. Leur étude contribue à faire saisir aux élèves la distinction entre faits et hypothèses vérifiables d’une part, opinions et croyances d’autre part. Observation, questionnement, expérimentation et argumentation pratiqués, par exemple, selon l’esprit de la Main à la pâte sont essentiels pour atteindre ces buts ; c’est pourquoi les connaissances et les compétences sont acquises dans le cadre d’une démarche d’investigation qui développe la curiosité, la créativité, l’esprit critique et l’intérêt pour le progrès scientifique et technique. Familiarisés avec une approche sensible de la nature, les élèves apprennent à être responsables face à l’environnement, au monde vivant, à la santé. Ils comprennent que le développement durable correspond aux besoins des générations actuelles et futures. En relation avec les enseignements de culture humaniste et d’instruction civique, ils apprennent à agir dans

cette perspective. Les travaux des élèves font l’objet d’écrits divers consignés, par exemple, dans un carnet d’observations ou un cahier d’expériences. L’unité et la diversité du vivant Présentation de la biodiversité : recherche de différences entre espèces vivantes. Présentation de l’unité du vivant : recherche de points communs entre espèces vivantes. Présentation de la classification du vivant : interprétation de ressemblances et différences en termes de parenté. La matière Le trajet de l’eau dans la nature ; le maintien de sa qualité pour ses utilisations. L’énergie Exemples simples de sources d’énergie ; besoins en énergie. Les objets techniques Objets mécaniques et transmission du mouvement ; Leviers et balances, équilibres. MATHEMATIQUES La pratique des mathématiques développe le goût de la recherche et du raisonnement, l’imagination et les capacités d’abstraction, la rigueur et la précision. Organisation et gestion de données Les capacités d’organisation et de gestion des données se développent par la résolution de problèmes de la vie courante ou tirés d’autres enseignements. Il s’agit d’apprendre progressivement à trier des données, à les classer, à lire ou à produire des tableaux, des graphiques et à les analyser. PRATIQUES ARTISTIQUES ET HISTOIRE DES ARTS Arts visuels Conjuguant pratiques diversifiées et fréquentation d’oeuvres de plus en plus complexes et variées, l’enseignement des arts visuels (arts plastiques, cinéma, photographie, design, arts numériques) approfondit le programme commencé en cycle 2. Cet enseignement favorise l’expression et la création. Il conduit à l’acquisition de savoirs et de techniques spécifiques et amène progressivement l’enfant à cerner la notion d’oeuvre d’art et à distinguer la valeur d’usage de la valeur esthétique des objets étudiés. Pratiques régulières et diversifiées et références aux oeuvres contribuent ainsi à l’enseignement de l’histoire des arts.

Défi physique technologie cycles 1, 2 et 3 : «Eau hissée haut ! Haut hissée eau ! Ohhhh ! hissée haut !»

Cycle 1

« Imaginer un dispositif qui pourra (ou non) être conçu par les élèves, capable de transporter l’eau d’un récipient A à un récipient B, sans se mouiller ni « toucher » l’eau directement. Le principe de fonctionnement devra être explicité et schématisé. »

Cycles 2 et 3 « Concevoir et fabriquer une ou plusieurs machines capables de monter l’eau d’un récipient A à un récipient B, sans se mouiller ni « toucher » l’eau directement, dans la situation suivante : Les deux récipients sont à des

altitudes différentes : A est plus bas que B ». Prolongement possible : passer d’un niveau haut à un niveau bas : A est plus haut que B. TÂCHES Les élèves devront construire, expérimenter, tester (…) tout au long de l’année. Un cahier de sciences sera régulièrement tenu. Le jour de la rencontre, des panneaux présenteront des écrits, des schémas, des photos et des textes rédigés sur ordinateur (lien avec le B2I). On y trouvera :

1. Les étapes de la démarche d’investigation suivie tout au long de la réalisation du défi. 2. Les problèmes rencontrés et les solutions trouvées. 3. Le travail avec un éventuel partenaire.

On préparera en classe la présentation des travaux effectués (stand) :

1. Les objets réalisés (y compris ceux qui n’ont pas abouti). 2. Des activités interactives autour du projet. 3. Éventuellement, une vidéo, un cd-rom, et un diaporama pour éviter d’abîmer la réalisation

le jour de la rencontre… 4. Une recherche documentaire (BCD, Internet…) pourra compléter ce travail.

MATÉRIEL Aucune contrainte au niveau du matériel n’est imposée, hormis un faible coût et une utilisation facile par les élèves. Il est important de relever le défi en utilisant des matériaux de récupération. DÉROULEMENT 1. Les défis seront organisés dans la première quinzaine du mois de mai 2011. 2. L’inscription des classes participantes pourra se faire dès le mois de juin 2010 dans

chaque circonscription. 3. Les enseignants recevront une formation et un accompagnement par les conseillers

pédagogiques de circonscription (animations pédagogiques, visites de classes). 4. La progression, l’organisation et les activités réalisées sont laissées à l’initiative de

l’enseignant. 5. Il serait souhaitable de ne pas se « lancer » dans une recherche documentaire trop tôt

dans le projet de manière à laisser le temps de tester des « solutions » imaginées par les élèves.

6. Le jour de la rencontre interclasse, toutes les productions fabriquées pourront être exposées (y compris ceux qui n’auront pas été retenus pour la rencontre. Les livres de bord et panneaux explicatifs devront être présents).

7. Le transport éventuel restera à la charge des écoles. Les sites à consulter : http://www.ac-montpellier.fr/ia30/sciences http://www.lamap.fr Voir notamment dans « Documentation » tout ce qui concerne le rôle du maître avant et

pendant la classe.

Groupe IA-30-sciences sept 2010 1

SCIENCES ET TECHNOLOGIE

Périodes : 3 et 4 Niveau : Cycle 1

Titre de la séquence : De l’eau à transporter… sans se mouiller !

Références : Cité des Sciences et de l’Industrie de la Villette (Jeux d’eau : des machines pour monter l’eau) La Main à la Pâte (voir rubrique pour la classe : matériaux/propriétés ; eau ; engrenages) Wikipédia : entrer « pompe » Voir également sur le net « Chadouf » ou « Shadouf », « Vis d’Archimède », etc. Documentaires sur les problèmes posés par le pompage de l’eau « Où va l’eau de la baignoire/WC ? » (doc.) « De l’eau fraîche pour Louise » (doc.) Lecture d’un album : « Plouf ! » de Philippe Corentin Les Shadocks, etc. PARTENAIRES : - Association « Vistrensemble » : sortie pédagogique (noria, etc.) - Parc de l’eau et des énergies renouvelables de Redessan - Les pouzarenques de l’Uzège (norias en service) / noria de Bezouce - Site du Pont du Gard - Vallon du Villaret - Jardins de la Fontaine : journées de l’environnement - Fabricant de pompes (Maroger à Nîmes, etc.) - Etc…


- Objectifs de la séquence :

- Découvrir les propriétés des objets qui permettent de répondre à la situation-problème donnée - Choisir, expérimenter, argumenter le choix des outils et des techniques - Dégager des critères de classement des objets selon leurs qualités et leurs usages - Acquérir un vocabulaire spécifique (oral et écrit).

N° de la

séquence

Rôle dans la démarche

d’investigation

Activités conduites avec les élèves

Matériel à prévoir

Conclusion et aboutissement de la séance

Type de trace écrite

Formulation élève avec lexique

1

- Situation déclenchante

Premières manipulations

Situation de départ :

2 Grandes bassines qui ne peuvent pas être portées : 1

pleine, 1 vide.

Comment déplacer l’eau, sans la toucher avec les mains de cette bassine dans l’autre ? Lister les propositions des élèves

Essayer avec les objets proposés par les élèves…

Ou proposer différents objets (passoire, seringue,

bouteille, filtre, éponge, cuillère, louche, tissu, paille,

entonnoir…)

Retour sur les propositions, validation.

Organisation : Au choix de l’enseignant :

Atelier, collectif, intérieur, extérieur…

Pour transporter l’eau sans la toucher,

on a besoin d’utiliser des objets

étanches, imperméables, non poreux…


2

Expériences et manipulations

suivantes

Nouvelles situations :

Transporter l’eau à l’aide des objets validés en introduisant

des variables :

- sans en renverser

- en conservant la même quantité (donc mesure)1

- en allant le plus vite possible (mesure du temps)

- en temps limité

- Mettre en évidence les propriétés des

objets et des matières

- Choisir l’objet le mieux adapté

- Approcher les notions de tri en fonction

du volume contenu (transvasements

successifs)

- Comprendre le fonctionnement de

certains objets, apprendre à schématiser,

à modéliser et à reproduire

- Savoir utiliser des objets particuliers

3

Autres situations

L’eau n’est plus accessible : au fond d’une poubelle par

exemple…

Album : « Plouf » de Philippe Corentin (cf séquence cycle 2)

Faire les expériences avec des fluides, solides fractionnés

(sable, semoule…)

4

- Sorties pédagogiques

- Voir « Partenaires »

- Mettre en relation les apprentissages

de la classe et les systèmes observés sur

le terrain : « Voir en vrai ! » - Comprendre l’usage et le

fonctionnement d’une machine ou d’un

dispositif : « ça sert à quoi de transporter de l’eau ? »

1 En cycle 2 mesurer l'eau suppose d'avoir deux récipients de forme identique dans la mesure où les élèves ne sont pas conservants la comparaison se faisant sur la

longueur (hauteur de liquide)...sans prise en compte du diamètre du récipient.


5

- Situations de

réinvestissement

(démarche d’investigation)

- Observation/exploration d’objets techniques simples :

poulie, pompe à bras, pompe à piston…

- Démontage/ remontage

- Essais de schématisation/légende

- Acquisition de lexique spécifique

« Comment ça s’appelle tout ça ? »

- Comprendre le fonctionnement de la

poulie, la pompe…

« Comment ça marche, tout ça ? »

6

- Mise en œuvre du défi /

Evaluation

- Réinvestir la séquence précédente pour transporter de

l’eau le jour du défi : Sur 10 mètres en conservant la même

quantité et en temps limité, le plus vite possible, en course

relais, etc…

Etre acteur le jour de la rencontre :

Comprendre et commenter les affichages

par exemple…

On proposera tout au long du projet, un atelier quotidien de découverte et de manipulations libres autour de l’eau :

- coin « eau » pour remplir, transvaser, transporter

- expérimenter des matières (étanches, poreuses, perméables ou non, etc.)

- flotte/coule

- jouer avec des objets du commerce (moulins à eau, roues, pompes à bras, à piston, seringues, circuits d’eau, etc.), assembler,

démonter…

On veillera à varier les objets, les situations avec ou sans consignes…

Prolongements possibles : - Sensibilisation à l’usage de l’eau : nécessité vitale, irrigation des cultures, hygiène et santé, etc. - EDD : Respect de l’eau : économie, protection


Groupe Sciences 30 - octobre 2010

Groupe IA-30-sciences octobre 2010


Défi technologique 2010- 2011 Niveau : Cycle 2

TITRE DE LA SEQUENCE : « Eau hissée haut ! des machines à monter l’eau »

Références Webographie :

Les machines à monter l’eau (jeux d’eau) de la cité de sciences Le portail de l’eau sur Wikipédia Les puits à eau sur Wikipédia Le portail de l’enseignement des technologies à l’école primaire Bibliographie à destination des adultes et des enfants : Plouf de Philippe Corentin, Ecole des loisirs Tintin au Tibet, Hergé, Casterman / Planche du sauvetage de Tintin par Haddock, Kit de photographies de Yann Arthus Bertrand n°4 : l’eau : une ressource vitale Patrimoine local : machines à monter l’eau du village, de la région (sortie/visite) Objectifs : Concevoir et fabriquer une ou plusieurs machines capables de monter de l’eau d’un récipient A vers un récipient B, sans se mouiller ni « toucher » l’eau directement. La séquence propose en particulier un travail sur la poulie en lien avec l’extraction de l’eau d’un puits. (programmes de 2008 et fiches connaissances de 2002)

Cycle 2 : Ils(les élèves) acquièrent des repères dans le temps et l’espace, des connaissances sur le monde et maîtrisent le vocabulaire spécifique correspondant. Ils dépassent leurs représentations initiales en observant et en manipulant. La matière et les objets Ils distinguent :

- les solides, les liquides Ils réalisent :

- des maquettes élémentaires pour comprendre le fonctionnement d’un appareil. (Socle commun : palier 1)

L’élève doit être capable de : - Observer et décrire pour mener des investigations - Résoudre des problèmes très simples

http://www.cite-sciences.fr/servlet/ContentServer?pagename=Catalogue/UIFramework/Cadre&lang=Francais&cid=1039721165813&c=Cat_Ilot#haut

http://fr.wikipedia.org/wiki/Portail:Eau

http://fr.wikipedia.org/wiki/Puits_%C3%A0_eau

http://www.montpellier.iufm.fr/technoprimaire/index.htm


N° de la

séance

Rôle dans la

démarche

d’investigation



Conclusion et aboutissement de la

séance



1

Elément déclencheur et première prise de représentations (le puits équipé)

Lecture* de l’album « Plouf » de Philippe Corentin. Montrer les images sans les commenter L’intégralité du récit se déroule au niveau d’un puits. Les différents personnages font preuve de ruse pour ne pas rester piégés au fond du puits dans lequel ils ont été tour à tour attirés. Ils utilisent le système « poulie/corde/seau » pour remonter à la surface. Questionnement : Allers-retours entre la fiction du livre et la réalité : Peut-on voir la lune au fond d’un puits ? A quelle condition ? A quoi servent les puits ? Qu’y a-t-il en général au fond d’un puits ? Comment remonte-t-on l’eau d’un puits ? etc… inventer une suite à l’histoire qui va permettre d’orienter la recherche. Par exemple : Après plusieurs heures d’effort, le loup arrive à sortir du puits par ses propres moyens. Il a beaucoup transpiré et il a très soif. Pour se désaltérer, il décide de puiser un seau d’eau bien fraîche après avoir accroché un nouveau seau à la corde… Faire dessiner/schématiser le loup en train de puiser l’eau. Pour aider les élèves, on peut prévoir une feuille photocopiée sur laquelle n’est dessiné que le puits : trou profond dans la terre + margelle. Confrontation et tri des productions :

- eau présente ou non au fond du puits - système de levage présent ou non - orientation de la corde correcte ou pas - - …

Comparaison avec le puits de l’histoire dans l’album. Définir ensemble ce qu’est un puits équipé, le rôle de la poulie. (*remarque : L’entrée dans le défi (le projet) se fait ici par la lecture d’un album ; Ce n’est qu’une situation parmi bien d’autres possibles. On aurait pu par exemple, en fonction du patrimoine local, aller visiter le(un) puits du village, observer son système de levage, recueillir le témoignage d’un (ancien) utilisateur.

schéma/dessin individuel dans le cahier de sciences : « le loup puisant de l’eau » Trace écrite de synthèse : « Un puits équipé pour nous c’est ….

- un trou profond dans la terre, - de l’eau au fond du trou, - un système pour aller chercher l’eau :

un seau, une corde, une poulie et un support pour accrocher la poulie au dessus du puits : la potence

La poulie permet de remonter le seau plein d’eau avec plus de facilité.


2

Prise des représentations (la poulie)

Apporter un récipient profond avec de l’eau au fond modélisant le puits (poubelle, seau à parapluies…), la potence pour suspendre la poulie peut aussi être fournie si on veut que les élèves se focalisent uniquement sur la poulie Proposer du matériel : bobines, bouchons plastique et roues en bois de différents diamètres, rubans adhésifs, fil de fer, tiges métalliques, piques à brochette, tourillons de bois, baguettes de bois, outils manuels de perçage, scie à métaux, pinces coupantes, ficelle, gobelets plastique, etc… Délivrer une consigne : Vous allez devoir fabriquer, en groupe, à l’aide du matériel proposé, une poulie et son support pour aller chercher l’eau au fond du puits en vous inspirant de l’album Plouf (ou du puits du village visité !) schéma individuel du système projeté puis élaboration d’un schéma commun dans un groupe de recherche avec rédaction de la liste du matériel nécessaire

schéma individuel du dispositif à fabriquer schéma du groupe liste du matériel à utiliser

3

modélisation : première maquette, premier essai

Construction en groupes Garder une trace de ces premières maquettes : prendre des photos Test de la maquette : Validation / invalidation du système Analyse des dysfonctionnements et recherche de solutions

Trace écrite dans le cahier de sciences (dictée à l’adulte si nécessaire) : Liste des disfonctionnements et

recherche de l’origine : - le seau racle sur la paroi du puits (non centré) - le seau ne rentre pas seul dans l’eau (forme du seau, équilibre) - la corde saute de la poulie (mauvais guidage : gorge de la poulie pas assez profonde, nécessité d’un


système en hauteur empêchant la corde de sortir de la gorge, degré de liberté de la poulie : la poulie ne se positionne pas automatiquement dans le plan de la corde, etc.)

solutions envisagées pour résoudre

les problèmes rencontrés Photos

4

Recherche documentaire et / ou exploration d’objets :

Retour sur l’album : Plouf, photos, film, objet réel pour lister les attributs de la poulie Fournir un schéma de poulie avec le vocabulaire spécifique associé, nommer les différentes parties et leur fonction (voir la fiche-outil concernant la poulie) Comparaison avec les premières maquettes. Si nécessaire, nouveau schéma et nouvelle liste du matériel nécessaire

Une poulie c’est : une roue avec une gorge profonde qui tourne autour d’un axe. l’axe est fixé à un support étroit appelé chape, juste un peu plus large que la roue la chape est fixée à un crochet tournant (émerillon). Le crochet permet de suspendre la poulie au support en plein centre du puits schéma de la poulie (cf fiche-outil) Liste du matériel nécessaire pour réaliser la maquette du nouveau système dessiné. Photos de poulies, photocopies de l’album…pour le cahier de sciences

5, 6, 7, ..

optimisation du modèle

Plusieurs séances pour trouver la poulie idéale (celle qui fonctionne !) Prendre des photos, schématiser, lister les problèmes et les solutions envisagées au fur et à mesure de l’optimisation. Nouvelles explorations de vraies poulies si nécessaire…

Ecrit de synthèse : « Une poulie c’est une roue qui tourne autour d’un axe. Sa forme doit permettre à la corde de ne pas s’échapper. Elle permet de monter une charge comme un seau rempli d’eau facilement, sans avoir à se pencher au-dessus du puits.


Evaluation

Faire repérer la poulie dans d’autres objets techniques (jouets ou non) : grue, canne à pêche, persienne, palan (vrais objets ou images) Légender le schéma d’une poulie (mots fournis ou non à replacer au bon endroit) Retrouver le schéma qui « fonctionne le mieux » parmi 3 schémas. (On peut utiliser des schémas produits par les élèves) Associer cordes et poulies (Diamètres de corde différents, largeurs de gorge différentes) Proposer des maquettes qui ne fonctionnent pas ou pas bien et demander la (ou les) raison(s) des dysfonctionnements Etc…

Prolongements possibles

Présenter une vidéo ou une collection de photos montrant différents systèmes utilisés par l’homme pour capter de l’eau. (Remarque : éviter dessins et schémas). A quoi servent tous ces systèmes ? Comment fonctionnent-ils ? et comment les nomme-t-on ?

Traiter les enjeux humains de l’eau, la nécessité de la capter et de

l’acheminer jusqu’à son lieu d’utilisation, de la protéger….

L’homme a inventé plusieurs systèmes pour capter / puiser / monter l’eau : liste des dispositifs. Collection de photos pour la classe et le cahier de sciences

Prolongements possibles

Une recherche similaire à celle proposée pour la poulie pourrait être conduite sur le treuil, autre dispositif fréquemment utilisé pour extraire l’eau d’un puits (voir fiche-outil du treuil)


Problèmes Maquettes élémentaires

Défi « Eau hissée haut… des machines à monter l’eau… » : Concevoir et fabriquer une ou plusieurs machines capables de monter de l’eau d’un récipient A vers un récipient B, sans se mouiller ni « toucher » l’eau directement.

Français : Débat argumenté Exposé oral Lectures documentaires Lectures fictions Ecrits divers (cahier

d’expériences, affiches) Acquisition d’un

vocabulaire spécifique

Mathématiques : Grandeurs et mesures :

longueurs, masse, contenance Figures géométriques planes,

schémas, solides Problèmes

Pratique artistique et histoire des arts : Voir des œuvres issues des

différents domaines artistiques en lien direct avec le défi

Autonomie et initiative : Travailler en groupe S’engager dans un projet

Découverte du monde de la matière et des objets : Solides/liquides :

changements d’état Maquettes élémentaires

Culture scientifique et technologique : Observer et décrire pour

mener des investigations

Compétences sociales et civiques : Participer en classe à un échange

verbal en respectant les codes de la communication

TICE : Commencer à s’approprier un

environnement numérique Recherches/traitement de texte


Groupe IA-30-Sciences sept 2010

1.


Défi technologique 2010 / 2011 Niveau : Cycle 3

Concevoir et fabriquer une ou plusieurs machines capables de monter de l’eau d’un récipient A vers un récipient B, sans se mouiller ni « toucher » l’eau directement.

TITRE DE LA SEQUENCE : Eau hissée haut ! Références :

Les machines à monter l’eau de la cité de sciences. Le portail de l’eau sur Wikipédia Les puits à eau sur Wikipédia Logiciel NEWTON Le portail de l’enseignement des technologies à l’école primaire Webographie et bibliographie à destination des adultes et des enfants Documents d’application des programmes : fiches connaissances cycle 2 et 3 : fiche n°24, fiche n° 25 Sciences et technologie cycle 3 page 30 Kit de photos de Yann Arthus Bertrand N°4 : l’eau

Compétences : Savoirs, capacités, attitudes Identifier les Instructions officielles (programmes de 2008 et fiches connaissances de 2002)

Cycle 3 : Les sciences expérimentales et les technologies ont pour objectif de comprendre et de décrire le monde réel, ... et celui construit par l’Homme ..., et de maîtriser les changements induits par l’activité humaine. Leur étude contribue à faire saisir aux élèves la distinction entre faits et hypothèses vérifiables d’une part, opinions et croyances d’autre part. • La matière : L’eau, une ressource le trajet de l’eau dans la nature le maintien de sa qualité pour ses utilisations

• L’énergie exemples simples de sources d’énergie besoins en énergie

• Les objets techniques leviers et balances, équilibres. objets mécaniques, transmission de mouvements

Palier 2 L’élève doit être capable de :

pratiquer une démarche d’investigation savoir observer, questionner, formuler une hypothèse et la tester, argumenter mettre à l’essai plusieurs pistes de solutions manipuler et expérimenter exercer des habiletés manuelles, se familiariser avec certains gestes techniques exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral maîtriser des connaissances dans divers domaine scientifiques mobiliser ses connaissances dans des contextes scientifiques différents et dans des activités de la vie courante

http://www.cite-sciences.fr/servlet/ContentServer?pagename=Catalogue/UIFramework/Cadre&lang=Francais&cid=1039721165813&c=Cat_Ilot#haut

http://fr.wikipedia.org/wiki/Portail:Eau

http://fr.wikipedia.org/wiki/Puits_à_eau

http://www.montpellier.iufm.fr/technoprimaire/index.htm


N° de la

séance

Rôle dans la

démarche

d’investigation



Conclusion et aboutissement de la séance



1 Elément déclencheur déstabilisation

Présenter le défi scientifique au travers du cahier des charges (consigne): « Concevoir et fabriquer une ou plusieurs machines capables de monter de l’eau d’un récipient A vers un récipient B, sans se mouiller ni « toucher » l’eau directement. » Liste des tâches à accomplir pour relever le défi

et préparer la rencontre (mots clés du défi) Lister les dispositifs connus des élèves

permettant d'obtenir l'action souhaitée. Définir avec les élèves les étapes du projet : de

la construction à l'élaboration d'affiches présentant les étapes de la construction et la performance de l'objet

Liste des dispositifs, des machines pouvant permettre de relever le défi : noria, pompe à piston, chadouf, vis d’Archimède, treuil, poulie, pompe à boulets…

Choix d’un premier dispositif sur lequel

expérimenter… (Dans un premier temps, il est préférable que tous les élèves de la classe conduisent leur investigation sur un même dispositif : Les échanges et les réponses apportées aux problèmes rencontrés n’en seront que plus riches, l’implication des élèves dans les phases de mise en commun plus grande.)

2

Prise des représentations

Dessiner la machine que l’on souhaite fabriquer (choix réalisé à la séance 1), d’en expliquer le fonctionnement (schéma/texte) et d’élaborer la liste du matériel (outils/matériaux) dont ils auront besoin pour la fabrication. Travail d’abord individuel suivi d’un travail en petits groupes pour réaliser un document commun.

schémas du dispositif à fabriquer texte explicatif du fonctionnement vocabulaire spécifique des différentes parties de

l'objet liste du matériel nécessaire à rassembler avant

la première séance de fabrication

2' Analyse des propositions

Confrontation des travaux de groupes : identifier dans les propositions ce qui peut fonctionner, ce qui risque de poser problème en argumentant

Réalisation d'un projet commun à tester

3

Première fabrication Premier essai

Construction en groupe Test de la maquette Validation/invalidation du système Identification des dysfonctionnements, recherche

de solutions à tester la séance suivant

Trace écrite : noter les problèmes rencontrés et les solutions envisagées pour les résoudre dans le cahier d’expériences

Photos des premières maquettes


4, 5 et plus (si

nécessaire)

Autres essais pour améliorer le dispositif

(Pour l’identification des problèmes, voir les fiches-outils des différentes machines) Test des solutions envisagées

Pour aider à l’amélioration des maquettes : Exploration de vraies machines en classe ou sur

site (sortie), utilisation, démontage remontage quand cela est possible

recherche documentaire ciblée (variantes d’un même dispositif)

Modélisation éventuelle avec du matériel modulaire (lego, Celda...)

Mise à jour régulière du cahier d’expériences : noter les hypothèses des dysfonctionnements aptes à déclencher l’expérimentation suivante, schémas, photos des maquettes successivement transformées

Exposition de vraies machines ou photos de

vraies machines

Maquettes exposées en classe

Recenser les dispositifs de « montage de l'eau « existant par une recherche documentaires

Liste des différents dispositfs trouvés, assortis de photos et des lieux ou sont encore utilisés ces dispositfs

… nouvelles

investigations, réinvestissement de la

démarche

Fabrication et/ou étude d’une ou plusieurs autres machines.

On peut imaginer, à ce stade du projet, confier la fabrication de machines différentes à plusieurs groupes de la classe en même temps

Evaluation mesurer les acquis

Reconnaître, nommer et expliquer le fonctionnement des différentes machines fabriquées ou étudiées

Utiliser un vocabulaire spécifique Identifier, dans d’autres objets techniques,

certains mécanismes rencontrés lors de l’investigation

Schématiser, légender un schéma

Finalisation : Préparation de la rencontre

Trier les éléments à présenter pour montrer la démarche utilisée

Monter l’exposition (élaboration d’affiches, de vidéos, de diaporamas,…)

Concevoir éventuellement d’autres ateliers autour de l’eau (expériences)

S’entraîner à répondre aux questions, distribuer les rôles…

Affiches, photos Montage vidéo, diaporama Diverses maquettes Exposition de vraies machines Ateliers du défi et autres


Concevoir et fabriquer une ou plusieurs machines capables de monter de l’eau d’un récipient A vers un récipient B, sans se mouiller ni « toucher » l’eau directement.

Français : Débat argumenté Exposé oral Lectures documentaires Lectures fictions Ecrits divers (cahier d’expériences, affiches)

Mathématiques Grandeurs et mesures Proportionnalité Problèmes Figures géométriques, schémas

Pratique artistique et histoire des arts Voir des œuvres issues des différents domaines artistiques en lien direct le défi

Histoire et géographie Dans les différentes périodes de l’histoire étudiées, replacer les découvertes scientifiques relatives au défi. Connaître quelques éléments culturels d’autres pays.

La culture scientifique et technologique Pratiquer une démarche d’investigation Manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter Utiliser un vocabulaire scientifique Exercer des habiletés manuelles

TICE Utiliser l’outil informatique pour s’informer, se documenter, présenter un travail

Compétences sociales et civiques Respecter les autres Prendre part à un dialogue constructif Coopérer avec un ou plusieurs camarades

Autonomie et initiative S’impliquer dans un projet collectif

Techniques d’assemblage : les liaisons

En technologie, la fabrication d’un objet, nécessite l’assemblage de différentes pièces entre elles.

Chaque assemblage de deux pièces entre elles constitue une fonction technique appelée liaison.

Il peut être intéressant d’apprendre à identifier et à caractériser certaines liaisons, à les nommer.

Le tableau qui suit, permet de nous y aider

Liaison complète(Aucun mouvement n’est possible entre les deux parties assemblées)

démontable directe (sans élément intermédiaire)

emboîtementencochestressematelotagetenon/mortaise…

indirecte (avec agent de liaison)

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non démontable

directe emboîtement en force…

indirecte colleruban adhésifsoudureclourivet…

Liaison partielle(Un mouvement au moins est possible entre les deux parties assemblées)

démontable directe rainureglissièregorge/corde (poulie)maillons fermoirs d’une chaîne…

indirecte filslacetsélastiquesattaches parisiennesvis/écrouboutonsgonds…

non démontable

directe maillons d’une chaîne…

indirecte charnières de tout type…

Des machines pour… monter puiser… élever transporter… l’eau

La noria (roue à eau)

Comment c’est fait ?

À quoi ça ressemble ?

C’est une roue à aubes, équipée de godets fixes ou parfois basculants, qui tourne grâce à la force du courant de la rivière sur laquelle elle est installée.

Noria appelée aussi « meuse » près de Ganges (34)

À quoi ça sert ? L’eau prélevée par les godets de la noria alimente un canal d’irrigation situé au dessus du niveau de la rivière. Comment ça marche ?

1 : remplissage du godet 2 : élévation de l’eau dans les godets 3 : versement de l’eau du godet dans le canal supérieur 4 : retour des godets vides vers la rivière La pression du courant sur les godets immergés (ou les aubes) doit être suffisante pour assurer l’élévation des godets contenant de l’eau.

Une fabrication possible à l’école : Noria entraînée par une manivelle avec son système de récupération de l’eau « montée »

Bouteilles plastique, sable et pitons pour le support. Bouteille plastique, tige filetée, rondelles, écrous papillon, baguettes de bois, boîtes plastique et clous, pour la noria et sa manivelle. Planchette, baguettes, vis, bambou entaillé, tuyau et pierre pour le dispositif de récupération de l’eau. Pistolet à colle pour les collages.

Les paramètres que l’on peut tester : Longueur des tiges supportant les godets Diamètre des godets, volume des godets Orientation des godets par rapport à leur support Longueur utile de la manivelle Vitesse de rotation Les difficultés (micro-problèmes à résoudre) : Perçage des éléments en plastique Techniques d’assemblage : nombreuses liaisons Stabilité du support de la noria Ajustement de la hauteur de la noria par rapport au plan d’eau Positionnement et stabilité du système de récupération de l’eau

roue

sens du courant

eau

Groupe Sciences 30 / octobre 2010

Transformation d’un mouvement de translation en un mouvement de rotation

godet ou auget


Le treuil

Comment c’est fait ? Un peu de vocabulaire :


À quoi ça sert ? Autrefois, c’était un dispositif fréquemment utilisé pour « tirer » l’eau d’un puits. Le bras de levier de la manivelle ou des tiges de bois fixées au tambour permet de réduire la force à exercer pour soulever la charge.

Comment ça marche ? Un treuil est constitué d'un tambour cylindrique autour duquel s'enroule une corde (une chaîne, un câble) qui tire sur une charge (seau plein d’eau). Dans le cas des treuils de puits, le tambour est très souvent actionné par une manivelle fixée à l’une de ses extrémités. Parfois, ce sont quatre tiges de bois fixées perpendiculairement au tambour et actionnés à la main qui permettent d’en assurer la mise en mouvement (voir photo ci-dessus). Le mouvement de rotation du tambour assure le mouvement de translation de la charge (montée ou descente du seau).

Une fabrication possible à l’école :

Bouteilles plastique, sable, pitons pour le support. Bouteille plastique, tasseau de section carrée (axe), ficelle , gobelet, tasseau et clou pour la manivelle…

Les paramètres que l’on peut tester :

Diamètre du tambour Diamètre de la ficelle (corde) Longueur de la partie utile de la manivelle (bras de levier) Forme du seau Vitesse de rotation

Les difficultés (micro-problèmes à résoudre) : Perçage du plastique Fixation de la corde au tambour Centrage du treuil sur le puits Stabilité du support Système de blocage du tambour (cliquet anti-retour) Techniques d’assemblage en général (liaisons) Conception et mise en place du système d’entraînement du treuil Dispositif pour verser l’eau montée Techniques d’assemblage (liaisons)


axe de rotation

corde (ou chaîne) (seau)

Transformation d’un mouvement de rotation en un mouvement de translation

Des machines pour… monter puiser…élever transporter… l’eau

La vis d’Archimède


Axe de rotation (moyeu)


Vis d'Archimède utilisée pour pomper (élever) l'eau « chargée » des polders, à Kinderdijk, aux Pays-Bas

À quoi ça sert ? La vis d'Archimède est une machine élévatoire. Elle permet de faire monter des liquides (eau très souvent) mais aussi des solides (céréales, raisins).

Comment ça marche ? Ce sont la forme spécifique de l’hélice et son inclinaison qui font que, lors de la rotation de l’ensemble sur son axe, le liquide, le matériau, remonte le long de la vis. Le débit d’une telle machine dépend des paramètres physiques suivants : diamètre de la vis, diamètre de son moyeu, pas des spires, angle d'inclinaison et vitesse de rotation.


Cylindre (tube PVC) sur lequel on entoure un tuyau plastique souple (type durite ou gaine pour fil électrique), fixation par scotch fort (type chatterton) ou ficelle.


Nombre de spires Ecartement des spires (pas) Diamètre et souplesse du tuyau Inclinaison et longueur de l’axe Diamètre du moyeu (axe) Emplacement de la manivelle sur le moyeu Les difficultés (micro-problèmes à résoudre) : Trouver le nombre de tours de l’axe nécessaire pour permettre à l’eau de parcourir l’ensemble du dispositif : au moins égal au nombre de spires Déterminer quelle hauteur minimale doit avoir la partie immergée pour que la vis fonctionne. Imaginer le mécanisme d’entrainement de la vis (manivelle ou autre) et sa liaison avec l’axe (le moyeu) Techniques d’assemblage : Liaisons

Spire = 1 enroulement

Pas des spires

Angle d’inclinaison

Matériau à élever : eau, sable, céréales, billes…

Attention : Pensez aussi à une source d’énergie motrice (pour entraîner) l’axe.



La poulie / corde-seau


chape

roue à gorge (passage de la corde)

axe de rotation


Château Mourgues du grès à Beaucaire À quoi ça sert ? La poulie permet de soulever une charge (seau plein d’eau) en modifiant la direction dans laquelle on exerce la force. à sou Comment ça marche ?

Une poulie est constituée d’une roue à gorge (rouet, réa) tournant autour d’un axe suspendu à une chape. La poulie permet de modifier la direction de la corde qui passe dans la gorge, corde sur laquelle on exerce une force. Associée à une ou plusieurs autres poulies (palan) elle permet de réduire la force nécessaire pour soulever une charge. Pour un système composé de deux poulies, la force est réduite de moitié mais la hauteur de déplacement l'est aussi.


Disques de bois, tourillons de bois, fil de fer, ficelle, gobelet pastique.


Diamètre de la gorge de la poulie Longueur de la corde Angle entre la direction de la partie entrante de la corde et celle de la partie sortante Forme du seau Les difficultés (micro-problèmes à résoudre) :

Frottements divers Tenue de la corde dans la gorge (butées / chape) Choix du support de la poulie : dimensions / stabilité Degré de liberté de la poulie avec son support : Axe de rotation fixe ou mobile. Largeur et profondeur de la gorge. Techniques d’assemblage (liaisons) Liaisons

crochet de suspension

émerillon

gorge


←


La pompe à piston

Comment c’est fait ?


À quoi ça sert ? C’est un dispositif pour monter l’eau par aspirations /refoulements successifs.

Comment ça marche ? Ce type de pompe utilise un piston coulissant de manière étanche dans un cylindre (corps de pompe) à la manière d’un piston de seringue. Lorsque le piston monte, l’eau est aspirée et pénètre dans le cylindre par l’intermédiaire du clapet 1. Dans le même temps, le clapet 2 étant fermé, l’eau située au dessus du piston est refoulée vers le bec verseur. Lorsque le piston redescend, sous l’effet des différences de pression, le clapet 1 se ferme et le clapet 2 s’ouvre laissant passer au dessus du piston l’eau précédemment aspirée… et ainsi de suite… Les clapets contrôlent le sens de circulation de l’eau.


Tuyaux en PVC, tige filetée, chambre à air (clapet), bouchons en plastique ou rondelles de bois, écrous « papillon »…

Les paramètres que l’on peut tester : Diamètre, hauteur du cylindre Diamètre du piston Course du piston (amplitude du va-et-vient) Diamètre du ou des clapets Nombre, position des clapets Nature des matériaux utilisés pour piston et clapet Hauteur de la sortie d’eau par rapport au niveau de l’eau à puiser

Les difficultés (micro-problèmes à résoudre) : Frottements divers Techniques d’assemblage : liaisons Stabilité du dispositif Sortie et récupération de l’eau Fuites Ajout d’un bras de levier

Un peu de vocabulaire :

1

2


Groupe Sciences 30 / octobre 2010 Groupe Sciences 30 / octobre 2010

Comment ça marche ? Cette machine est constituée d'une poutre de bois (balancier, fléau) fixée de façon partielle (rotation possible) sur un mât vertical ; une de ses extrémités est munie d'une corde (et/ou d’une perche) soutenant un récipient (en terre ou en peau) et l'autre d'un contrepoids en pierre. Une force est exercée par l’homme vers le bas sur la corde, le seau plonge dans la rivière et se remplit. Lorsque la corde est lâchée, le contrepoids exerce une force suffisante pour permettre au seau plein d’eau de remonter. Pour un contrepoids donné, la distance de l’axe de rotation du balancier à la liaison avec la perche (cf schéma) ainsi que la longueur de la perche doivent être adaptées pour obtenir la rotation souhaitée du fléau au risque de reverser l’eau du seau dans la rivière !


LE CHADOUF


À quoi ça ressemble ? À quoi ça sert ?

Depuis le Nouvel Empire jusqu'à nos jours, cette machine rudimentaire permet de puiser l'eau. Le chadouf (ou shadouf) est un appareil à bascule servant à puiser l'eau d'un puits ou d'un point d'eau. Il est encore aujourd’hui employé en zone d'agriculture irriguée dans certains pays d’Afrique et du Moyen-Orient.


Baguettes de bois, piques en bois, bambou (support), gobelet, ficelle, écrous, ruban adhésif…


Longueur de la perche, hauteur du mât, position de l’axe de rotation sur le fléau, position au repos de la liaison fléau/corde par rapport à la rivière, masse du contrepoids, volume du seau, nature de la liaison fléau/seau (corde, perche en bois, mixte), formes et dimensions du support…

Les difficultés (micro-problèmes à résoudre) : Choix des matériaux à la fois résistants, modifiables, adaptables Ajustage et assemblage (liaisons) des différents composants Stabilité de l’ensemble au repos et lors de la rotation Equilibrage de l’ensemble

ancrage (rotation possible)

(Liaison partielle)

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