Pour les membres de l équipe Sciences-IA30, Monsieur Patrick CÉNENT, IEN de la circonscription de Manduel

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1 Manduel, le 5 septembre 2012 L inspecteur de l éducation nationale chargé de la circonscription de Manduel à Mesdames et Messieurs les enseignants des écoles maternelles, élémentaires et primaires du département du Gard Circonscription de Manduel 26 ter, rue de la République MANDUEL Tél : Fax : Courriel : Mesdames et Messieurs les enseignants, s/c Mesdames et Messieurs les inspecteurs de l éducation nationale du département du Gard Le groupe départemental Sciences-IA30 vous informe de la mise en œuvre, pour l année scolaire , de projets départementaux réunis sous l appellation «OSONS LES SCIENCES». Ce courrier a pour but de vous donner toutes les précisions nécessaires concernant les thèmes retenus et les modalités d organisation. Les principes retenus : - Un projet réalisable, peu coûteux, qui vous permette d aborder l enseignement des sciences sans appréhension aucune. - Un projet qui encourage les liaisons de proximité GS-CP, CM2-6 ème, groupes scolaires d une même commune. Dispositif : 1. Des activités proposées pour les classes des trois cycles : Un projet scientifique à dominante physique et/ou technologie. Un projet à dominante sciences de la vie et de la terre. 2. Votre circonscription déterminera les dates d une semaine départementale «OSONS LES SCIENCES» organisée dans les écoles et/ou les collèges de secteur au mois de mai Votre inscription sera portée à la connaissance des conseillers pédagogiques de votre circonscription. Nous vous remercions par avance pour la qualité de votre engagement dans le domaine de la culture scientifique. Pour les membres de l équipe Sciences-IA30, Monsieur Patrick CÉNENT, IEN de la circonscription de Manduel 1

2 «OSONS LES SCIENCES!» (Année scolaire ) PROJET SCIENTIFIQUE CYCLES 1, 2 ET 3 : PHYSIQUE/TECHNOLOGIE : «CA PLANE POUR LUI» DESCRIPTIF DU PROJET SCIENTIFIQUE PROPOSÉ : «OSONS LES SCIENCES» en physique/technologie cycles 1, 2 et 3 : «Ca plane pour lui» Cycle 1 : Il s'agit de concevoir et fabriquer un objet permettant de mettre en évidence la présence, la force, la direction du vent. Cycles 2 et 3 : Il s'agit de concevoir et fabriquer un objet volant capable de rester en vol plané (sans moteur de quelque énergie que ce soit) le plus longtemps possible en ligne droite. Cet objet sera lancé à la main sans promontoire. Pour les classes du cycle 3 qui veulent aller plus loin : - l objet devra pouvoir virer à droite ou à gauche selon la programmation, pour un vol plané effectué dans les conditions ci-dessus... - Rechercher un mode de propulsion (moteur à élastique, réaction,...) et/ou de lancement. Organisation des rencontres : Tous les objets fabriqués peuvent être présentés. Chaque classe proposera au lancement un maximum de 3 objets qui seront présélectionnés avant la rencontre, ainsi que les prototypes spécifiques (modes de propulsion, lanceurs, direction). OBJECTIFS Textes de référence : Les instructions officielles de JUIN 2008 rappellent : Cycle 1 : DECOUVRIR LES OBJETS Ils (les élèves) fabriquent des objets en utilisant des matériaux divers, choisissent des outils et des techniques adaptés au projet (couper, coller, plier, assembler, clouer, monter et démonter...). DECOUVRIR LA MATIERE 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. Ils prennent aussi conscience de réalités moins visibles comme l existence de l air 2

3 Cycle 2 : Ils (les élèves) réalisent des maquettes élémentaires Cycle 3 : 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 énergie : exemples simples de sources d énergies Les objets techniques : - équilibres - transmission de mouvements Socle commun de connaissances et de compétences : En ce qui concerne la culture scientifique et technologique, l élève étudie : la matière et ses propriétés physiques et chimiques, l'énergie la conception, la réalisation et le fonctionnement des objets techniques Il (l élève) est initié à la démarche d'investigation tout en acquérant des connaissances et apprend à agir dans une perspective de développement durable. En ce qui concerne la maîtrise de la langue française, elle passe par : la capacité à lire et comprendre des textes variés la qualité de l expression écrite la maîtrise de l'expression orale Grilles de référence : Palier fin de CM2 : La culture scientifique et technologique Pratiquer une démarche scientifique Item Explication des items Indications pour l évaluation La démarche d investigation se développe en trois phases successives dont la première consiste à poser une question à partir de l observation d un phénomène ou d informations fournies et d envisager une ou plusieurs explications possibles. Pratiquer une démarche d investigation : savoir observer, questionner Manipuler et expérimenter, formuler une Elle conduit ensuite, à partir de ce questionnement, à essayer de trouver une réponse par l expérimentation ou la Quatre modalités d évaluation sont possibles pour attester de la maîtrise de la démarche d investigation par un élève. 1. L observation du cahier (ou carnet) d expériences. L élève tient un cahier d expériences et d observation qui doit pouvoir le suivre tout au long du cycle. Il y fait apparaître les éléments qu il a produits aux différentes phases de la démarche d investigation. L évaluation porte sur la capacité de l élève à identifier la nature des traces (questionnement, conclusions, prévisions, protocole 3

4 hypothèse et la tester, argumenter, mettre à l essai plusieurs pistes de solutions Exprimer et exploiter les résultats d une mesure et d une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l écrit ou à l oral documentation : - prévoir puis tester un dispositif d expérimentation (en faisant plusieurs essais) ou rechercher dans une documentation ; - recueillir et consigner les résultats obtenus par l observation, par la mesure ou par la recherche documentaire ; - confronter les résultats avec les hypothèses de départ ; - argumenter pour valider, ou non, l hypothèse de départ. - Produire un court texte faisant la synthèse des observations et des conclusions (le texte produit utilise un vocabulaire spécifique et peut être accompagné d un schéma explicatif). - Rendre compte de la recherche, des résultats obtenus et formuler une conclusion. - S appuyer sur un ou plusieurs schémas. d expérience ), et à les resituer dans les différentes étapes. Parallèlement, une analyse critériée par l enseignant renseigne sur la maîtrise de la compétence puisque le cahier est la trace directe du travail de l élève (voir à ce sujet le document «le cahier d expériences et d observation»). 2. Dans le contexte des activités de classe, l évaluation peut se faire par observation du comportement de chaque élève. L enseignant sera notamment attentif à l intérêt porté au sujet scientifique ou technique et à la capacité de l élève à : - formuler le problème à résoudre ; - mobiliser des connaissances ; - formuler des hypothèses ; - proposer des protocoles pour les vérifier ; - tester un dispositif d expérimentation (conçu ou non par l élève) ; - recueillir et consigner les résultats obtenus ; - confronter les résultats avec les hypothèses de départ ; - argumenter pour éprouver ou non l hypothèse de départ ; - produire un court paragraphe faisant la synthèse des observations et des conclusions et faisant explicitement apparaître la connaissance visée par l activité. 3. En partant d une situation d expérimentation vécue en classe pour laquelle différentes hypothèses auront été éprouvées : - faire produire un court paragraphe faisant la synthèse des observations et des conclusions ; le texte utilise un vocabulaire spécifique et peut être accompagné d un schéma explicatif ; - demander à l élève de rendre compte à l oral, de la recherche, des résultats obtenus, et de formuler une conclusion. Il peut s appuyer sur un ou plusieurs schémas. 4. La passation d une épreuve standardisée (voir à ce sujet «Outils d'aide à l'évaluation en sciences et technologie au cycle 3» sur le site Éduscol qui propose des protocoles d évaluation). BO du 5 janvier 2012 : Programmation : CP : Maquettes élémentaires - Utiliser quelques objets techniques simples (une manche à air ) et identifier leur fonction. - Réaliser une maquette permettant d assurer des fonctions simples (trouver la direction du vent.). CE1 : Maquettes élémentaires Utiliser quelques objets techniques et identifier leur fonction. Réaliser des maquettes utilisant différents dispositifs CE2 et CM1 : L énergie 4

5 - Exemples simples de sources d énergie CM2 : La matière - L air et les pollutions de l air Identifier par l expérimentation des propriétés qui confèrent à l air un caractère matériel. CE2, CM1 et 2 : Les objets techniques Durant les trois années du cycle 3, les séquences permettront aux élèves : - de repérer une même solution technique assurant des fonctions différentes ; - de repérer différentes solutions techniques assurant une même fonction ; - de préciser des raisons motivant le choix d un élément de solution (par exemple matériau) pour un objet et un contexte précis ; - de réaliser des objets techniques répondant à une fonction. TACHES Les élèves devront construire, expérimenter, tester ( ) tout au long de l année. Un cahier de sciences sera régulièrement tenu. Le jour de la présentation des travaux, 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 recommandé de privilégier l utilisation des matériaux de récupération. DÉROULEMENT 1. L inscription des classes participantes se fera au mois de septembre 2012 dans chaque circonscription. 2. Les enseignants recevront une formation et un accompagnement par les conseillers pédagogiques de circonscription (animations pédagogiques, visites de classes). 3. La progression, l organisation et les activités réalisées sont laissées à l initiative de l enseignant. 4. 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. 5. Les présentations des travaux seront organisées au cours des mois de mai et juin Toutes les productions fabriquées pourront être exposées (y compris celles qui n auront pas été retenues). Les livres de bord et panneaux explicatifs devront être présents. 6. Le transport éventuel restera à la charge des écoles. Les sites à consulter : 5

6 (Voir notamment dans «Documentation» tout ce qui concerne le rôle du maître avant et pendant la classe.) 6

7 «Osons les sciences» Défi : Il s'agit de concevoir et fabriquer un objet permettant de mettre en évidence la présence, la force, la direction du vent. Programmes de 2008 : Cycle 1 Découvrir les objets Les élèves fabriquent des objets en utilisant des matériaux divers, choisissent des outils techniques adaptés au projet (couper, coller, plier, assembler, clouer, monter et démonter...). 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. Ils prennent aussi conscience de réalités moins visibles comme l existence de l air - Quelques observations possibles - Nature (arbres, graminées etc.) - Drapeaux, linge étendu, cheveux - Objets techniques fonctionnant à l aide du vent : éoliennes, moulins, char à voile, voiliers - Quelques exemples de dispositifs: - Rubans, foulards suspendus, feuilles, plumes, bulles de savon etc. - Une boule suspendue à un fil, la boule monte plus ou moins haut suivant la force du vent (l expérience peut se faire à l aide de plusieurs boules de masses différentes - Girouette - Un moulinet ou anémomètre qui tourne plus ou moins vite - Manche à air

8 «Osons les sciences» N de la séance & 4 Savoirs et savoir-faire en jeu - Evocation du contenu de l album - Emissions d hypothèses sur les observations réalisables dans la cour Renforcement : lorsqu il y a du vent, on peut l observer à l aide du mouvement des feuilles, des rubans. Ses séances doivent être conduites des jours venteux, et un jour sans vent pour opposer les phénomènes observés. Question de départ Comment savoir s il y a du vent dans la cour? Aujourd hui, y a-t-il du vent dans la cour? On pourra introduire des éléments naturels par rapport à la séance précédente : plumes, feuilles sèches (ne pas introduire d objets qui pourraient dénaturer le défi) Activités conduites avec les élèves - Lecture offerte de l album «Gilberto et le vent» de Marie Hall Ets (école des loisirs) ou tout autre album évoquant la présence du vent. Dessiner, représenter, utiliser des images illustratives (ex : photos prises dans la cour de l école). Remise en mémoire avec des écrits ou des représentations réalisées avec les élèves lors de la séance précédente. Essais dans la cour des propositions des élèves. Observation et identification par les élèves des éléments pertinents permettant de répondre à la question (prendre des photos ça bouge/ ça ne bouge pas permettant de travailler sur cette opposition : il y a du vent ou il n y a pas de vent) Conclusion et aboutissement de la séance Lorsqu il y a du vent on peut observer des déplacements incontrôlés d objets légers. Citer les exemples de l album. «Aujourd hui, il y a du vent, on l a vu parce que». «Aujourd hui, il y a du vent, on l a vu parce que». «Aujourd hui, il n y a pas de vent, on l a vu parce que».

9 «Osons les sciences» N de la séance 5 6 Savoirs et savoir-faire en jeu Lancement du défi : Lorsqu il y a du vent, il peut être plus ou moins fort Le vent ne souffle pas toujours dans la même direction. Sa force est variable. Question de départ Comment construire un objet permettant de montrer qu il y a du vent même quand le vent n est pas très violent. Comment adapter les objets pour montrer la direction du vent? Activités conduites avec les élèves Identification d objets réagissant au vent dans une série (tri/classement) Anticiper des effets possibles du vent sur chacun de ces objets Les enfants prévoient les effets possibles du vent sur chacun des objets. Expérimenter et organiser ses observations Dans le vent, à l extérieur, les enfants observent les comportements de leur objet. Observation des comportements des objets en fonction de la direction du vent (possibilité d utiliser des ventilateurs en classe afin de prévoir les observations dans la cour). Observations dans la cour Conclusion et aboutissement de la séance Plus il y a de vent, plus l objet «bouge». - le ruban se soulève - le moulinet ou le l anémomètre tourne - la manche à air se soulève Lorsque la direction du vent change l objet «tourne» autour d un axe : Plus il y a de vent plus l objet réagit. - le ruban se soulève et indique une autre direction - la manche à air se soulève et se place dos au vent - la pointe de la girouette se place face au vent 7 et suiv. Construction, expérimentation, amélioration des objets

10 Osons les sciences : Sciences Physiques et technologie Projet : «Ça plane pour lui» Proposition de progression pour le cycle 2 Formulation du défi pour le cycle 2 : «Il s'agit de concevoir et de fabriquer un objet volant sans moteur capable de planer le plus longtemps possible en ligne droite. Cet objet sera lancé à la main sans promontoire. Il sera fabriqué à partir de matériaux imposés : le carton, le papier, le bristol ou le Dépron.» Références aux IO : se reporter à la lettre aux enseignants présentant les projets de l année scolaire Séance 1/1bis : Lancement du projet et prise de représentations Il est important de ne pas formuler le terme avion qui oriente les élèves mais de parler d objet planant. Cependant, si l on souhaite écarter rapidement certaines propositions telles que le frisbee par exemple, on pourra aller directement vers le terme planeur. Séance 1 (à prendre sur l'horaire de français) : découverte du défi Objectif de la séance : Lire et comprendre le défi Organisation : collectif Activité des élèves : Débat au sein de la classe sur le sens de planer. Différencier le mouvement de type planer des mouvements du boulard (grosse bille), de l'hélicoptère ou encore du frisbee. (Nous retenons sous le vocable planer le fait pour un objet de se déplacer dans l air en s appuyant sur l air : lorsqu on lance l objet en l air, il retombe en s appuyant sur celui-ci. En l absence totale de vent, l objet doit aller vers l avant). Séance 1 bis : prise de représentations Objectif de la séance : relever les représentations des élèves : Organisation : individuel Activité des élèves : dessiner l objet qu ils pensent réaliser et selon l âge des élèves légender seul ou en dictée à l adulte. On peut éventuellement donner la liste du matériel qui sera disponible au moment de la prise de représentations pour orienter / limiter l ensemble des réponses des élèves. Penser à montrer le matériel pour que les enfants aient une idée précise de celui-ci. On peut décider de ne fournir qu un seul matériau et les outils pour le transformer : uniquement du dépron ou uniquement du carton par exemple Ce matériel doit être testé par l enseignant. Temps de réflexion individuelle indispensable : conserver une trace écrite (cahier de sciences) des représentations initiales pour les comparer à la réalisation finale. Trouver un dispositif qui permette aux élèves d avoir suffisamment de temps pour formuler leurs idées. Séance 2 (courte) : Retour sur les représentations Objectif de la séance : repérer dans les propositions celles qui semblent respecter le cahier des charges afin d'aboutir à un seul type d'objets Organisation : collectif Groupe Sciences 30 / décembre 2012

11 Activité des élèves : débat à partir des propositions des élèves (Analyse des propositions des élèves afin d éliminer ce qui ne correspond pas au cahier des charges (fusée, oiseau, cerf-volant, frisbee.). Choix des objets qui seront réalisés en groupe. Dans la mesure où l'objet doit planer, les propositions des élèves s'orienteront vers un même type d objets. On pourra expliquer aux élèves qu il est plus intéressant, pour faire avancer les recherches, de tous travailler dans la même direction. Lors des mises en commun, les élèves seront plus réceptifs. Le matériel devra être rassemblé avant tout commencement de construction. Séance 3 (séance courte) Conception d un prototype par groupe Objectif de la séance :choix d'un prototype Organisation : Mise en groupe en fonction des projets retenus. Rappels concernant l organisation du travail au sein du groupe. Activité des élèves : Après concertation (mise en commun des idées de chacun), choix du prototype qui sera construit dans le groupe : dessin légendé et liste du matériel nécessaire. Remarque : Penser au petit matériel qui servira à la construction : corde, ciseaux, adhésif peinture, trombone, pâte à modeler : tout ce qui permet de lester facilement l objet Séance 4 : Les premières constructions Remarque : prévenir les enfants qu un temps sera pris, pour lancer les avions, à la fin de la séance de fabrication et qu aucun avion ne doit être lancé avant la fin de la construction. Objectif de la séance : réaliser le prototype envisagé lors de la séance précédente Organisation : travail de groupe Apparition des obstacles : objets plans (difficulté pour les enfants de passer du plan de représentation au volume de la construction). découpage des matériaux : adapter les outils à l action qu il faut réaliser et au matériel choisi (L enseignant peut ou non choisir d entrer dans cette analyse. Dans tous les cas, il doit disposer des outils adéquats). assemblage des différentes parties s il y a lieu (techniques d'assemblage) Les variables qui vont apparaître : forme et dimensions des éléments constitutifs de l objet volant nature du matériau utilisé présence ou non du lest position du lest présence ou non d un empennage, de gouvernes, d ailerons En fin de séance : Tests des avions : Premiers lancers libres avec observations informelles et sans commentaire ; il est préférable d effectuer les lancers en dehors de la salle de classe : déplacement dans tout Groupe Sciences 30 / décembre 2012

12 l espace pour ne pas se bousculer. La cour de l école est idéale s il n y a «pas de vent», la salle de jeu si celle ci existe et est suffisamment grande. Le passage à trois dimensions est difficile pour les élèves de cycle 2. La notice de montage d une maquette en dépron ou l exploration (analyse) d une telle maquette peut aider à dépasser les difficultés. L objet modèle aide à résoudre certains problèmes. (Voir séance 6). Si tous les objets sont en deux dimensions, il est possible de faire la séance 6 avant la séance 5, pour faire évoluer les prototypes avant d'analyser leur comportement en vol Séance 5 : Analyse du comportement de l objet volant Objectif : tester les objets planants en vue d'améliorer les prototypes Organisation : Dans l espace de lancement. Les lancers sont organisés de façon à permettre l observation des objets, de leur comportement en vol. Des hypothèses sont émises sur les causes des dysfonctionnements apparus. Il faut insister sur le fait que les objets ne doivent subir aucune modification lors de ces essais. (À priori, on peut s attendre à ce qu aucun objet ne réalise un vol conforme au cahier des charges) Activité des élèves : Ils effectuent les lancers à tour de rôle et observent le vol des objets des autres groupes. Les dysfonctionnements de l objet ont plusieurs sources possibles : au niveau de l équilibre de l avion (si c en est un): au niveau des techniques de lancer : o symétrie roulis, lacet équilibre transversal / vol o lest tangage équilibre longitudinal / vol o dièdre stabilité utilité de l empennage o dérive lacet rôle du fuselage plan o ailerons roulis trajectoire Position du corps et du bras Angle de lancer Force et contrôle du lancer Présence ou non de vent et sa direction s il y a lieu incidence de la forme de l objet sur la qualité du vol (aérodynamisme). On vise deux choses : une trajectoire rectiligne et la plus longue possible (temps de vol important). Il faut mettre l avion dans la position qu il est sensé avoir dans sa trajectoire naturelle de descente (vol plané régulier) et trouver la bonne impulsion pour l intensité du lancer (ni trop forte : forte résistance de l air/turbulences, ni trop faible/décrochage). Pour plus d'information sur le vol du planeur voir : «C'est pas sorcier» et «Vol à voile». Séance 6 : Démarche exploratoire : analyse d avions du commerce (maquettes que l on trouve sur les marchés dans les «fouillis»). Groupe Sciences 30 / décembre 2012

13 objectif : analyser les différentes parties constitutives d'un planeur du commerce qu'il soit en dépron, en balsa ou en papier ; préciser le vocabulaire (fuselage, empennage, dérives, gouvernes, lest...), mettre en évidence tout ce qui est nécessaire à l équilibre de l avion. organisation : collectif ou en groupe selon le matériel dont on dispose activité de l'élève : identifie les différentes parties de l'objet et leur fonction. Pour la fonction des éléments de l'objet, si celui ci est démontable, il est possible de lancer l'objet en ôtant chaque élément à son tour. Le rôle de chacune des parties pourra être mieux cerné. sur une représentation de l'objet légender les différents éléments (ou coller l' «étiquette-nom» de l'élément) Séance 7 et suivantes : Optimisation des objets volants en prenant en compte les remarques faites à la suite de l exploration des maquettes. Objectif : optimisation des maquettes Organisation : en groupe puis en collectif lors des tests Activité des élèves : modification (amélioration) des maquettes. Tests de lancers avec éventuellement une fiche de lancer (en lien avec les mathématiques). Mesure des distances parcourues, Mesure des temps de vol Retour au défi. Remarque : Il peut être intéressant de favoriser la réalisation d objets volants de grande envergure plus stables lors du vol. Cela implique un choix réfléchi des matériaux, qui peut se faire avec les enfants, en vue de la rencontre. «Vous avez fabriqué une maquette, construisez-en une 2, 3 ou 4 fois plus grande.» On peut rechercher l équilibre d un avion en faisant reposer le milieu de l aile portante sur deux doigts. Il doit tenir en équilibre! Prolongements et pistes de travail Travail en parallèle sur la constitution d une collection d objets volants. Réalisation d expériences sur l air, le vent. Construction d instruments météo et autres : girouette, anémomètre, manche à air, moulinets. Groupe Sciences 30 / décembre 2012

14 Osons les sciences : Sciences Physiques et technologie Projet : «Ça plane pour lui» Proposition de progression pour le cycle 3 Formulation du défi pour le cycle 3 : «Il s'agit de concevoir et de fabriquer un objet volant capable de rester en vol plané (sans moteur de quelque énergie que ce soit) le plus longtemps possible en ligne droite. Cet objet sera lancé à la main sans promontoire.» Pour les classes du cycle 3 qui veulent aller plus loin : l'objet devra pouvoir virer à droite ou à gauche selon la programmation, pour un vol plané effectué dans les conditions ci-dessus... recherche d un mode de propulsion (moteur à élastique, réaction ) et/ou de lancement. Organisation des rencontres : Tous les objets fabriqués peuvent être présentés. Chaque classe proposera au lancement un maximum de trois objets qui seront présélectionnés avant la rencontre, ainsi que les prototypes spécifiques (modes de propulsion, lanceurs, direction). Références aux IO : se reporter à la lettre aux enseignants présentant les projets de l année scolaire Séance 1 : Lancement du projet*. Il est important de ne pas formuler le terme avion qui orienterait les élèves mais de parler «d objet volant». Objectif de la séance : relever les représentations des élèves : Activité des élèves : dessiner l objet qu ils pensent réaliser et légender dans le cahier de sciences (d expériences). *Remarque : On peut, si on veut en limiter la diversité et ne pas le faire apporter par les élèves, présenter le matériel qui sera mis à disposition pour la réalisation des objets volants. Séance 2 : Retour sur les représentations (cette séance est à prendre sur le volume horaire de la maîtrise de la langue). Analyse des propositions des élèves afin d éliminer ce qui ne correspond pas au cahier des charges (fusée, oiseau, cerf volant...). Une présélection par l enseignant des schémas représentatifs de la classe peut s avérer utile pour la gestion de cette phase. Choix des objets retenus pour la fabrication. Débat au sein de la classe sur le sens de planer. (Nous retenons sous le vocable planer le fait pour un objet de se déplacer dans l air en «s appuyant» sur l air : lorsqu on lance l objet en l air (dans l air), il retombe en s appuyant sur celui-ci). Groupe sciences 30 / décembre 2012

15 Constitution des groupes de recherche en fonction des projets initiaux retenus. Organisation du travail (répartition des rôles dans les groupes/prévoir une rotation) Séance 3 : Conception d un prototype. Dans chaque groupe, les élèves se mettent d accord sur un prototype à construire en s appuyant sur leurs premières idées (schémas de la séance 1), dessinent ce prototype et établissent la liste du matériel dont ils auront besoin pour le fabriquer. Séance 4 : Premières constructions. Le matériel nécessaire aura été rassemblé préalablement quelle que soit l option choisie : matériel unique pour tous les groupes proposé par le maître, ou différents matériaux dont certains apportés par les élèves (papier, carton, polystyrène extrudé 3 et 6 mm, baguettes de bois, autres ). Ce matériel doit avoir été testé par l enseignant. Mise en garde : prévenir les enfants qu un temps sera pris pour lancer les «objets volants» à la fin de la séance de fabrication et qu aucun d'eux ne doit être lancé avant ce temps réservé.. Apparition des obstacles : objets plans (difficulté pour les enfants de passer du plan de représentation au volume de la construction) découpage des matériaux : adapter les outils à l action qu il faut réaliser et au matériel choisi. Pertinence et sécurité sur l'utilisation des outils seront abordées avec l'enseignant et peuvent donner lieu à une formalisation. assemblage des différentes parties s il y a lieu. Tests des "objets volants" : Premiers lancers libres avec observations informelles et sans commentaire. Il est préférable d effectuer les lancers en dehors de la salle de classe : déplacements dans tout l espace pour ne pas se bousculer. L idéal est la cour de l école une journée sans vent ou une grande salle, un gymnase dans le cas où la force du vent pourrait contrarier grandement le vol des objets réalisés. Séance 5 : Analyse du comportement de l objet volant. Dans l espace de lancement. Les lancers sont organisés de façon à permettre l observation des objets et leur comportement en vol. Une feuille de vol est utilisée pour consigner les observations réalisées. Des hypothèses sont émises sur les causes des dysfonctionnements apparus. Il faut insister sur le fait que les objets ne doivent subir aucune modification lors de ces essais. (A priori, on peut s attendre à ce qu aucun objet ne réalise un vol conforme au cahier des charges). Les dysfonctionnements de l objet ont plusieurs sources possibles : au niveau de l équilibre de l avion (si c en est un): o symétrie roulis, lacet équilibre transversal / vol Groupe sciences 30 / décembre 2012

16 au niveau des techniques de lancer : o lest tangage équilibre longitudinal / vol o dièdre stabilité utilité de l empennage o dérive lacet rôle du fuselage plan o gouvernes lacet, tangage trajectoire o ailerons roulis trajectoire Position du corps et du bras Angle de lancer Force et contrôle du lancer Présence ou non de vent et sa direction s il y a lieu incidence de la forme de l objet sur la qualité du vol (aérodynamisme) Séance 6 : Démarche exploratoire : analyse d "objets volants" du commerce (maquettes que l on trouve sur les marchés dans les «fouillis»). Pour mettre en évidence le lest, les différentes parties constitutives et en particulier la présence d un empennage (queue de l avion), tout ce qui est nécessaire à l équilibre de l avion. Les techniques d assemblage peuvent être également analysées pour être réutilisées. Séance 7, séance 7 bis et suivantes : Optimisation des objets volants en prenant en compte les remarques faites à la suite de l exploration des maquettes. Tests de lancer avec fiche de vol : Mesure du temps de vol et mesure de la distance parcourue (en lien avec les mathématiques), analyse du comportement de l objet, optimisation des maquettes. Remarque : il n est pas toujours facile d obtenir un même comportement lors de plusieurs essais successifs car beaucoup de paramètres entrent en jeu, en particulier la façon de lancer l objet... S entraîner à reproduire un même geste : celui qu on pense être le plus performant pour relever le défi! Séance 8 : Retour au défi (partie 2) : l objet doit pouvoir virer à droite ou à gauche selon la demande Il peut être intéressant, voire indispensable de favoriser la réalisation d objets volants de grande envergure : cela nécessite un choix réfléchi des matériaux, qui peut se faire avec les enfants, en vue de la rencontre. Le vol de ces objets plus grands est plus stable. Il est plus difficile d agir sur un objet de petite taille pour obtenir le comportement souhaité et ce de façon reproductible. Les actions sur les gouvernes ne sont réellement sensibles qu avec un avion de grande taille si ces gouvernes sont adaptées à la taille de l engin. Prise de représentations dans le cahier de sciences (qui peut se faire en groupe ou seul selon le choix de l enseignant). Dans la mesure où les enfants ont déjà travaillé sur un objet, ils peuvent continuer à réfléchir sur le projet en groupe. L utilisation de feuilles de format A3 Groupe sciences 30 / décembre 2012

17 (affiches) dans les groupes peut être utile pour permettre ensuite la duplication rapide (réduite) en format A4 des productions pour le cahier de chaque membre du groupe. Débat argumenté (maîtrise de la langue) : garder des traces des débats (fragments des argumentaires construits). Séance 9 : En géométrie : reproduction de modèles - Organisation et gestion des données : résoudre des problèmes relevant de la proportionnalité. Construction de prototypes de grande taille ou reproduction d une maquette «performante» à l échelle (x 2 ou x 3) dans un matériau rigide (au choix du maître en fonction des apprentissages souhaités). Séance 10 et suivantes. Tests des hypothèses d actions sur l objet afin qu il réponde aux attentes du défi. Obstacle : ne faire varier qu un seul élément. Prolongements possibles, d autres pistes à explorer : L orientation du vent lors du lancer. Les vols acrobatiques. Les avions-origamis. Les autres objets volants (fusée, cerf volant, montgolfières, dirigeables ). Groupe sciences 30 / décembre 2012

18 Osons les sciences : «Ça plane pour lui» Des objets qui utilisent le vent mesurent sa force donnent sa direction L anémomètre À quoi ça ressemble? Comment c est fait? Un peu de vocabulaire : axe de rotation Sur cette photo, l anémomètre est constitué de 3 augets tournants ; il est surmonté d une girouette. Il existe également des anémomètres à volet basculant. À quoi ça sert? L anémomètre sert à mesurer la vitesse du vent. Son préfixe anémo vient du grec et signifie vent et son suffixe mètre signifie mesure. auget Indicateur de vitesse mât -support Comment ça marche? Le vent (air qui se déplace) vient frapper les augets de l anémomètre. Une pression différentielle s exerce alors sur les augets (l air s écoule moins facilement dans le creux d un auget qu à la surface de sa partie externe). Les augets se mettent alors en mouvement (transformation d un mouvement de translation en un mouvement de rotation). La rotation des augets est d autant plus rapide que la vitesse du vent est élevée. Le mécanisme de l appareil transforme le nombre de tours par unité de temps en vitesse, souvent exprimée en m/s ou km/h. Une fabrication possible à l école : Bouteille plastique lestée de gravier pour le support, pique à brochette piquée dans un bouchon et introduite dans un tube de stylo pour l axe de rotation, perle de bois pour limiter les frottements, demi-balles de ping-pong percées (pour les augets) montées sur piques à brochettes. Les paramètres que l on peut tester* : La distance des augets à l axe de rotation Le diamètre des augets : choix d autres objets (pots de yaourt) La forme des augets L orientation des augets L inclinaison de l axe de rotation par rapport à la verticale * L utilisation d un ventilateur ainsi qu une balle de couleur pourra faciliter les tests. Pour comptabiliser le nombres de tours, Les difficultés (micro-problèmes à résoudre) : Perçage des différentes pièces de plastique : bouchons et demi-balles de ping-pong Fixation en force des augets à leur support (friction) Centrage du support de l axe de rotation dans la bouteille Stabilité du support Techniques d assemblage en général (liaisons) Frottements Techniques d assemblage (liaisons) Groupe Sciences 30 / décembre 2012

19 Osons les sciences : «Ça plane pour lui» Des objets qui utilisent le vent mesurent sa force donnent sa direction La girouette À quoi ça ressemble? Comment c est fait? Un peu de vocabulaire Schéma : axe de rotation Dispositif généralement métallique, la plupart du temps installé sur un toit. Il est constitué d'un élément rotatif monté sur un axe vertical fixe portant les 4 points cardinaux. À quoi ça sert? À indiquer la provenance du vent ainsi que sa direction cardinale. empennage tête mât -support pointe de la flèche Comment ça marche? Lorsque le vent change de direction, il pousse la partie arrière de la flèche (l empennage) jusqu'à ce qu'elle soit alignée avec le vent (parallèle au vent). Cela a pour conséquence de faire pointer la flèche dans la direction d'où provient le vent. On se réfère alors aux quatre principaux points cardinaux pour juger de la direction d'où vient le vent. On place habituellement la girouette à 10 m du sol. Une fabrication possible à l école : Bouteille plastique lestée de gravier pour le support. Piques à brochette pour l axe de rotation et le corps de la girouette. Bouchons pour les assemblages par emboîtements (pas de colle a utilisée). direction anémomètre Intercalaire plastique pour sert l empennage à mesurer la et la vitesse pointe de du la vent. flèche. Son Tube préfixe de stylo anémo pour le support de l axe de rotation. Perles pour réduire vient du grec et signifie vent et son les frottements. Prévoir une rose des vents. suffixe mètre signifie mesure. Les paramètres que l on peut tester* : La position de l axe de rotation, les dispositifs de rotation (frottements sur le mât-support) Les matériaux La masse de l empennage La surface de l empennage La forme de l empennage (non pertinent) * L utilisation d un ventilateur pourra faciliter les tests. Les difficultés (micro-problèmes à résoudre) : Stabiliser la girouette dans l axe du vent Rechercher la position optimale de l axe de rotation Vaincre les frottements sur le mât-support Maîtriser les techniques d assemblage en général (liaisons) Groupe Sciences 30 / décembre 2012

20 Osons les sciences : «Ça plane pour lui» Des objets qui utilisent le vent mesurent sa force donnent sa direction La manche à air À quoi ça ressemble? Comment c est fait? Un peu de vocabulaire : axe de rotation tête pivotante sur 360 (girouette) entrée Une manche à air «classique» bicolore (rouge et blanc) et de forme tronconique déployée dans le vent À quoi ça sert? La manche à air est un dispositif visuel qui permet, à distance, d apprécier la «force» (vitesse) et la direction (sens) du vent. Elle est très utilisée sur les autoroutes et les aérodromes. manchon mât -support sortie Comment ça marche? Le vent (air en mouvement) pénètre le dispositif par l'extrémité la plus large du manchon à savoir celle qui se trouve du côté du mât. Le manchon s oriente et se dresse en fonction de la direction et la puissance du vent. Lorsqu'il n'y a pas de vent, le manchon est flasque et pend au ras du mât. À titre d'information, chaque anneau de couleur correspond à une vitesse de cinq nœuds, ce qui correspond à environ 9 km/h. Lorsque les cinq anneaux sont gonflés, la vitesse du vent est donc supérieure à 25 nœuds soit supérieure à 45 km/h. La vitesse du vent est estimée suivant l'inclinaison du manchon par rapport à l'horizontale ou par rapport au mât. Une fabrication possible à l école : Les paramètres que l on peut tester* : Le diamètre d entrée, le diamètre de sortie («Conicité» du manchon) La longueur du manchon La densité du plastique du manchon, sa rigidité La nature du tissu éventuellement utilisé pour le manchon * L utilisation d un ventilateur pourra faciliter les tests. Bouteille plastique lestée de gravier pour le support, tronçon de bouteille en plastique pour l entrée, sac poubelle en plastique découpé pour le manchon, pique à brochette pour l axe de rotation, tube de stylo pour le support de l axe de rotation, perles de bois pour limiter les frottements et assurer le blocage supérieur de l anneau d entrée. Les difficultés (micro-problèmes à résoudre) : Perçage des différentes pièces de plastique : bouchon de la bouteille, anneau d entrée Fixation du manchon sur l anneau d entrée Stabilité du support Techniques d assemblage en général (liaisons) Frottements Stabilisation du manchon dans le vent Groupe Sciences 30 / décembre 2012

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