Responsable scientifique du Léa EvaCoDICE: Pr. Michel Grangeat*** (L.S.E Grenoble)

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1 Niveau : CM Thèmes : - Sciences expérimentales et technologie : les objets techniques - Histoire des arts : ouvrages d'art et habitat Centre d intérêt : "Comment faire pour qu un pont ne s effondre pas?" Cette séquence a été conçue et testée dans le cadre du LéA EvaCoDICE de Fontaine (Grenoble) Noms des concepteurs de la séquence : Mohamed Elkanbi**, Hervé Mignot*, Alix Géronimi* ** * Professeur des écoles (Fontaine-Grenoble) ** Professeur des collèges (Fontaine-Grenoble) *** UJF ESPE-Grenoble avec Céline Lepareur, David Cross et Michel Grangeat*** (L.S.E - Grenoble) Responsable scientifique du Léa EvaCoDICE: Pr. Michel Grangeat*** (L.S.E Grenoble) Problème posé : Comment créer un pont entre 2 points distants de 30 cm (situés à la même hauteur mais séparés par un vide), avec pour unique contrainte la résistance au poids? 5 séances sont prévues pour une durée totale de 9h15. Connaissances visées : Découvrir que l'on peut augmenter la rigidité d'un matériau fin sans ajout de matière. Prendre conscience des propriétés de certaines formes. Retrouver la structure et la forme étudiées dans des objets courants et des réalisations d'architectes. Compétences évaluées (cf. Tableau de progression en annexe): Culture scientifique et technologique (compétence 3 du second palier du socle) - manipuler et expérimenter,formuler une hypothèse et la tester, argumenter ; - exprimer et exploiter les résultats d'une mesure ou d'une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l'écrit et à l'oral. Compétences sociales et civiques (compétence 6 du second palier du socle) - prendre part à un dialogue : prendre la parole devant les autres, écouter autrui, formuler et justifier un point de vue. Autonomie et initiative (compétence 7 du second palier du socle) - respecter des consignes simples en autonomie ; - montrer une certaine persévérance dans l'activité ; - s'impliquer dans un projet collectif ; - commencer à s'auto-évaluer.

2 Séance n 1 : Durée 1h45 CAPACITES MISES EN OEUVRE : Mettre en place et interpréter un essai pour définir une propriété donnée. 1) Introduction : (40 ) Introduction : Observation des élèves, écoute des questions. Lecture du défi : «Comment fabriquer une maquette de pont qui soit assez solide pour soutenir une bouteille de 500g entre deux rives séparées de 20cm?» Présentation de la page 1 de la fiche élève et des «métiers», constitution des groupes. Observation : Effondrement du pont Tacoma Le document vidéo nous sert d accroche et d'introduction à la notion de déformation des matériaux et de la structure d'un pont. Cette vidéo témoigne d'un événement qui a marqué le monde de l ingénierie civile : l effondrement en 1940 du pont de Tacoma aux USA dont le tablier est entré en résonance sous l action du vent. Le professeur régule les prises de parole, il sollicite les élèves moins à l'aise, demande des explications complémentaires (Pourquoi penses-tu que ) pour les pousser à argumenter leurs propositions. Préciser les attentes sur le croquis (dessin simplifié) et les explications ( matériaux utilisés, assemblage, intérêt de la solution imaginée). Ce travail permet d'avoir un recueil des conceptions initiales des élèves. Décrire à l'oral le comportement des matériaux et de la structure du pont. Recherche d'explications et débat : Les élèves essayent de décrire et donner des explications sur l'effondrement du pont (le pont se tord dans tous les sens, vent, tempête, tremblement de terre, pas assez de câbles, matériaux pas assez solides, impossible, montage, trucage).les élèves essaient d'argumenter ou contre-argumenter certaines explications. Le phénomène de résonance est laissé de côté, mais on insiste sur le fait que le pont devra supporter une bouteille de 500g et résister à la déformation. Recherche individuelle d'une solution au défi : production d'un croquis et d'une explication écrite pour fabriquer une maquette de pont capable de porter la bouteille de 500g.

3 Bilan : Un présentateur annonce les mesures et le classement trouvés par son groupe.le maître précise que les mesures effectuées représentent la flèche de chaque tablier. Le tablier ayant la plus petite flèche est le plus rigide. Synthèse : Un croquis illustrant le texte pourra être collé au verso de la fiche élève Tableau de progression : Explication du fonctionnement : 4 compétences en 4 niveaux de réussite. Lecture des 4 niveaux de la première compétence. L'élève choisit la phrase qui correspond à son travail et coche la case de la séance. Idem pour les autres compétences. Fin de séance : Le maître ramasse les tableaux de progression et les fiches élèves.pour la séance 2, le maître doit vérifier que les tableaux de progression ont été remplis. Si le niveau de réussite coché par l'élève ne correspond pas au travail fourni, le maître coche la case adéquate. Pour la séance 3 : Le maître doit constituer de nouveaux groupes de travail en essayant de rassembler des élèves qui ont eu des idées semblables pour la maquette (cf, page 1 de la fiche élève, 1.2). Ce choix permettra de mesurer l'impact des des deux premières séances sur les conceptions initiales. 2) Expérimentation (40 ) : Tester la rigidité de trois matériaux Présentation de la page 2 de la fiche élève. Mise en place guidée et progressive du dispositif : - distribution des piles de bois, les élèves les placent à une distance de 20cm et marquent des repères sur la table - présentation des matériaux (bloc de feuilles A4, «plaque de plastique blanc», «plaque de mousse plastique») - réponse individuelle à la question distribution de la plaque de plastique blanc et d'une équerre graduée pour une mesure de la hauteur du tablier à vide, noter le résultat - distribution de la bouteille pour une mesure en charge, noter le résultat - mesure à vide puis en charge pour la plaque de mousse et le bloc de feuilles - classer les matériaux du plus rigide au moins rigide Matériel : 3) Bilan (5 ) - 1 bloc de 3 mm de feuilles de papier (format A4) - 1 plaque de polypropylène, «mousse» de 3 mm (A4) - 1 plaque de pvc, «plastique blanc» de 3 mm (A4) - Une équerre graduée - Une bouteille d eau remplie (1/2 litre ~ 500g) 4) Synthèse collective (5 ) Trace écrite (proposition) : La rigidité des matériaux se mesure. Les matériaux les plus rigides ont une petite flèche. C c c hauteur maximale flèche 5) Tableau de progression à compléter (15 )

4 Séance n 2 : Durée 2h00 CAPACITES MISES EN OEUVRE : Mettre en relation, dans une structure, une ou des propriétés avec les formes, les matériaux et les efforts mis en jeu. Rigidifier du papier. Les élèves vérifient le respect des critères, comparent les solutions trouvées. 1) Introduction : (10 ) Rappel du défi : «Comment fabriquer une maquette de pont qui soit assez solide pour soutenir une bouteille de 500g entre deux rives séparées de 20cm?» Un élève rappelle les résultats de l'expérimentation menée en séance 1. Annonce de la contrainte du matériau imposé : J'ai décidé que nos maquettes seront en feuilles de papier. C'est le matériau testé le moins rigide, ce qui augmente la difficulté du défi. Mais c'est aussi ce qui va nous pousser à chercher comment améliorer les capacités d'un matériau. Relances : 1)Je connais des élèves qui ont réussi avec seulement 3 feuilles. 2)Mettre en mains 2 gobelets lestés avec un taille-crayons, l'un intact, l'autre sans la bordure roulée de l'ouverture, toucher et étudier la partie roulée. 3)Technique du roulage avec feutre et scotch. 2) Investigation : (1h20 ) 1er défi : RIGIDIFIER DU PAPIER (60 ) Distribution de la page 1 de la fiche élève. Répartition des métiers. Lecture du défi : «Avec le minimum de feuilles de papier A4, vous devez trouver des solutions qui permettent de soutenir un poids de 500g entre deux piles espacées de 20 cm.» 5 min de recherche, relance 1, puis 15 min de recherche. Relance 2 de 5min puis 5min de recherche. Relance 3 de 5min puis 15min d'entraînement. Bilan individuel : Remplir la page 1 de la fiche élève. Rigidifier un cadre. Les élèves testent leurs propositions. Coups de pouce : encouragements, invitation à réussir avec moins de matériel. 2ième défi : RIGIDIFIER UN CADRE (20 ) Distribution de la page 2 de la fiche élève. Lecture du défi : «Comment rigidifier un carré formé de poutrelles, le rendre indéformable?» Distribution du matériel : structure rectangle, poutrelles en papier, ficelle, scotch, feuilles de papier. Lecture du défi : «Proposez une solution pour rigidifier le carré réalisé avec des poutres papier et des attaches parisiennes. Faites un croquis sur l image ci-dessous et expliquez-le». Les élèves cherchent en groupe puis chacun réalise un croquis de ce qu'a trouvé le groupe et écrit un petit texte explicatif sur sa feuille.

5 3) Bilan (15 ) : Bilan : Un présentateur argumente les idées trouvées par son groupe. Les autres présentateurs peuvent proposer des contre arguments utiles pour avancer vers une meilleure solution. Le maître note au tableau les différents arguments, souligne les incohérences et la non adaptation au cahier des charges. Chaque groupe doit savoir ce qu'il a réussi et ce qu'il doit modifier. Présentation des résultats des recherches et mini débat. Trace écrite individuelle. 4) Synthèse collective (5 ) Trace écrite collective(proposition) : On peut améliorer la rigidité d un matériau en jouant sur la forme (papier roulé, gobelet...) et la structure (assemblage en forme de triangle). Tableau de progression : Le maître répond aux questions des élèves sur ce qu'il a coché pour la séance 1. Les élèves commencent par remplir la dernière compétence. 5) Tableau de progression à compléter (10 ) Fin de séance : cf. fin de séance 1 pour le travail de suivi des élèves. Les élèves doivent préparer des tubes de papier en quantité importante pour la séance 3. Séance n 3 : Durée 2h00

6 CAPACITES MISES EN OEUVRE : Modifier tout ou partie d une structure. Traduire sous forme de croquis l'organisation structurelle d'un objet technique. Mettre en relation, dans une structure, une ou des propriétés avec les formes, le matériau et les efforts mis en jeu

7 Présentation du cahier des charges du grand défi : (10 ) «Vous devez créer une voie de circulation entre 2 points distants de 30 cm et séparés par un vide. Cette voie de circulation aura une Le cahier des charges est structure en tubes de papier de la forme qui vous semble adaptée pour supporter un affiché au tableau et un poids de 500g avec une flèche inférieure à 2 cm ). Vous utiliserez le minimum de feuilles exemplaire A4 est distribué à chaque groupe. de Observation des élèves, écoute des questions.le professeur demande de réfléchir d'abord sans aides puis autorise à aller consulter les ressources numériques. Les élèves visionnent les vidéos : 1) Bridge building game (version démo) ou des photos d échafaudages. 2) Brain pop Le matériel est distribué lorsque les groupes ont produit un schéma. Montrer comment utiliser l'atelier de perforation. de papier et uniquement le matériel autorisé.» Matériel et moyens autorisés : Tubes de papier (préparés par les élèves) Feuilles de papier (A4) Ciseaux, règle graduée, crayon à papier Attaches parisiennes Tubes de colle (Attention : le scotch est interdit!) Outil de perforation (ou atelier : gos clou, planchette avec trous élargis, gomme) Les deux documents vidéo sur les ponts (Brain Pop+Démo Bridge Building game) 1) Tableau de progression : Les élèves demandent des explications sur les cases cochées par le maître et complètent le tableau pour la dernière compétence. (10 ) 2) Recherche individuelle de la structure. (10 )Distribution de la page 1 de la fiche élève. Les élèves proposent une idée de structure sous forme de croquis puis justifient leur choix. Le professeur veille à la distribution des 3) tâches au 3) Choix de la structure.(40 ) Constitution des groupes par le maître (élèves qui ont eu des idées de maquettes semblables en séance 1). Répartition des métiers. Dans chaque groupe, les élèves confrontent leurs idées et vérifient la faisabilité par rapport à la consigne et à la liste du matériel. Puis chaque groupe visionne les deux documents vidéo. sein des groupes et rappelle les règles de fonctionnement. Il veille à ce que chacun assume son rôle et participe au travail. Il prend les ponts en photo Relances : recherches de la séance précédente, vidéos. Bilan intermédiaire : Un présentateur essaie d'argumenter. Les autres présentateurs peuvent proposer des contre arguments utiles pour avancer vers une meilleure solution. Le maître note au tableau les différents arguments, souligne les incohérences et la non adaptation au cahier des charges. Chaque groupe doit savoir ce qu'il a réussi, ce qu'il doit modifier et ce qu'il reste à faire. Séance n 4 : Durée 1h45 N.B. Avant de fabriquer les maquettes de ponts et pour mieux comprendre la conception des structures de ponts en treillis, les élèves visionnent la création "virtuelle" de ponts de plus en plus longs et de plus en plus résistants : Vidéo 1 : v=req6b ahdtl0&feature=player_embedded#t=22 Vidéo 2 : /ponts/ Préparation des tables : positionner les plateaux à 30cm d'écartement et marquer l'emplacement des pieds au sol. Distribution de la page 2 de la fiche élève. Les élèves proposent une structure définitive pour leur groupe sous forme de schéma ou croquis puis justifient le choix du groupe. 4) Début de réalisation de la maquette du pont.(25 ) 5) Bilan intermédiaire : mini débat (20 ) 6) Tableau de progression à compléter(5 ) CAPACITES MISES EN OEUVRE : Anticiper le résultat d'une expérience et justifier ses prévisions. 1) Tableau de progression (cf. séance 3).(10 )

8 Le matériel autorisé est affiché au tableau. Observation des élèves, écoute des questions. Le professeur veille à la distribution des tâches au sein des groupes et rappelle les règles de fonctionnement. Il veille à ce que chacun assume son rôle et participe au travail. Il prend les ponts en photo et les imprime. Relances : recherches des séances précédentes, vidéos. Entraide. Prévoir du travail en autonomie pour les groupes les plus rapides en réalisation de maquette. o 2) Fin de la réalisation de la maquette du pont.(45 ) Le pont devra être présenté au test. Attention : penser à compter le nombre de feuilles utilisées. 3) Synthèse collective (25 ) Distribution de la page 3 de la fiche élève. Trace écrite (proposition) : Un pont est une construction qui permet de franchir un obstacle. On distingue trois parties : Le tablier, structure sur laquelle se fait le déplacement, les appuis qui supportent le tablier (culées aux extrémités et piles intermédiaires), les fondations qui permettent la transmission des efforts de l ouvrage au terrain (schéma légendé copié du tableau). Tablier Culée Synthèse : Un croquis illustrant le texte pourra être dessiné sur la fiche élève. Fondations Pile Le maître prend les ponts en photo pendant la copie de synthèse. Bilan : Le présentateur essaie d'argumenter, les autres peuvent présenter à l'oral des contre arguments et chacun remplit la première première colonne du tableau de prise de notes. 4) Bilan (20 ): Distribution de la page 1 de la fiche élève de séance 5. Le présentateur de chaque groupe passe au tableau et les élèves remplissent la première colonne du tableau de prise de notes (partie prédictive). 5) Tableau de progression à compléter (5 )

9 Séance n 5 : Durée 1h45 CAPACITES MISES EN OEUVRE : Interpréter les résultats d'une expérience. Rédiger un bilan de ses apprentissages. Préparer l'évaluation sommative. 1) Tableau de progression (cf. séance 3).(10 ) 2) Les ponts subissent le test. (20 ) Le professeur réalise les tests avec un mètre gradué pour mesurer la flèche. Les élèves remplissent les deux dernières colonnes du tableau. Les ponts qui ont une flèche inférieure à 2cm sont classés en fonction du nombre de poutrelles utilisées. 3) Présentation du pont en carton de l'architecte Shigeru Ban. (15 ) Un pont fait en carton peut-t-il porter 20 personnes à la fois? Oui, c est possible! En 2007 l architecte Shigeru BAN, de nationalité japonaise, a installé un pont en papier sur le Gard, à côté du célèbre Pont romain. La structure a été construite avec des tubes de carton et peut porter 20 personnes à la fois. Vidéo : 5) Bilan individuel des cinq séances. (20 ) Les élèves rédigent une synthèse de leurs apprentissages. 6) Synthèse collective. (10 ) Synthèse (proposition) : Comment peut-on améliorer la rigidité d'un matériau? En jouant sur la forme (tube cylindrique) et la structure (assemblage en triangles). En 2007 l architecte Shigeru BAN, de nationalité japonaise, a installé un pont en tubes de carton sur le Gard, à côté du célèbre pont romain. La structure a été construite pour porter 20 personnes à la fois. 7) Construire des questions d'évaluation. (35 ) Recherche en groupe de questions sur le vocabulaire, les formes et les structures. Des questions ouvertes, des QCM, relier un dessin à un texte explicatif (pour les structures). Mise en commun par les rapporteurs. Identifier ce qui est à savoir avant l'évaluation. 8) Tableau de progression à compléter.(5 ) +) Pour aller plus loin.(sur une ou plusieurs séances) Tour Eiffel, Histoire des arts,

10 Séance : 1 Comment faire un pont qui ne s'effondre pas? CM Prénom Îlot n : Métiers 1 Présentateur 2 Responsables du matériel 1 Responsable du temps Prénoms 1. Introduction 1.1 Je trouve des idées pour expliquer l'effondrement du pont de Tacoma : 1.2 J'imagine une maquette de pont qui résisterait à un poids de 500g : je dessine et j'explique mon idée. 2. Expérimentation sur la rigidité des matériaux 2.1 A priori, quel matériau présenté par ton professeur te semble le mieux supporter

11 une charge de 0,5Kg? 2.2 Vous devez réaliser les tests imagés ci-dessous et noter les résultats. Mesure de la hauteur du tablier en plaque de plastique :. Pose le poids de 0,5 Kg sur le tablier et mesure la hauteur du tablier. Résultat :. Mesure de la hauteur du tablier en mousse plastique:. Pose le poids de 0,5 Kg sur le tablier et mesure la hauteur du tablier. Résultat :. Mesure de la hauteur du tablier en bloc de papier :. Pose le poids de 0,5 Kg sur le tablier et mesure la hauteur du tablier. Résultat :. 2.3 Je fais un bilan des mesures : Quel est le seul matériau à résister au poids?... Je classe les trois matériaux du plus rigide au moins rigide : SYNTHESE : Séance : CM

12 2 Comment faire un pont qui ne s'effondre pas? Prénom Îlot n : Présentateur Responsable du matériel Responsable du temps Observateur 1. INVESTIGATION : les défis 1er défi : RIGIDIFIER DU PAPIER Avec le minimum de feuilles de papier recyclé, proposez des solutions pour arriver à faire tenir ce poids de 500g entre les deux piles espacées de 20 cm. J'explique ce que j'ai trouvé : Je fais un croquis :

13 2ième défi : RIGIDIFIER UNE STRUCTURE Comment rigidifier un carré formé de poutrelles? Je propose une solution pour rigidifier le carré réalisé avec des poutres en papier et des attaches parisiennes : je fais un croquis sur l image ci-dessous et je l'explique. 2. BILAN : Je dessine les solutions trouvées par les autres groupes et j'écris ce qui me semble important pour construire la maquette de pont en papier. 3. SYNTHESE :

14 Séances : 3 et 4 Comment faire un pont qui ne s'effondre pas? CM Prénom Îlot n : Présentateur Responsable du matériel Responsable du temps Observateur 1. Je dessine la structure du pont et j'explique mon choix : 2. Je dessine la structure choisie par mon groupe et j'explique notre choix:

15 3. Je colle la photo du pont terminé. 4. Synthèse.

16 Séance : 5 Comment faire un pont qui ne s'effondre pas? CM Prénom Îlot n : 2 Présentateurs 1 Responsable du temps 1 Secrétaire 1. J'évalue et je commente des solutions proposées par mes camarades : Je prévois le résultat du test et j'explique mes prévisions. nombre de feuilles Flèche en cm Je note les différences entre mes prévisions et les résultats du test). Je pense que le pont... sera le moins adapté au défi car : Le pont.. est le moins adapté au défi car : Je pense que le pont... sera le plus adapté au défi car : Le pont.. est le plus adapté au défi car : 2. Je fais le bilan de ce que j'ai appris au cours des cinq séances. 2.1 Ce que je savais sur les ponts et la rigidité des feuilles de papier avant les cinq séances: 2.2 Ce que j'ai trouvé difficile et ce qui m'a aidé dans mes recherches :

17 2.3 Ce que je sais maintenant sur les ponts, sur les possibilités d'améliorer la rigidité des matériaux et des structures : 3. Synthèse : Prénom :

18 Tableau de progression Pour chaque compétence, je trouve la phrase qui correspond à mon travail et je coche la case de la séance (S1, S2, S3, S4 ou S5). Présenter le résultat de ses recherches. S1 S2 S3 S4 S5 J'ai un dessin et un texte pour exposer mes idées. J'ai un dessin ou un texte pour exposer mes idées. J'ai un dessin ou un texte mais rien d'utilisable pour exposer mes idées. Je n'ai ni texte ni dessin. Formuler une hypothèse et la justifier. S1 S2 S3 S4 S5 Je trouve plusieurs raisons valables pour soutenir ou contrer une idée. Je trouve une raison valable pour soutenir ou contrer une idée. J'essaie de soutenir ou contrer des idées mais je ne trouve pas de raisons valables. Je ne cherche pas à soutenir ou contrer une idée. Respecter les consignes et rester concentré. S1 S2 S3 S4 S5 Je participe tout le temps et mon comportement ne gêne personne. Je ne participe pas tout le temps ou mon comportement gêne le groupe. Je ne participe pas tout le temps et mon comportement gêne le groupe. Je ne participe pas au travail demandé. S'auto-évaluer. S1 S2 S3 S4 S5 Je remplis le tableau et le maître ne coche pas plus d'une case pour la séance. Je remplis le tableau mais le maître coche deux cases pour la séance. Je remplis le tableau mais le maître coche trois ou quatre cases pour la séance. Je ne remplis pas le tableau pour la séance.