«L eau dans tous ses états»

Transcription

1 «L eau dans tous ses états» La séquence «L'eau dans tous ses états» destinée aux élèves de CE2, présentée ci-après au chapitre 2, a pour objectif d enseigner aux élèves les différents états de l'eau ainsi que les phénomènes de changements d'état. Il s'agit également, dans un objectif de réinvestissement des connaissances acquises dans les premières séances, de découvrir le cycle naturel de l'eau. Outre les connaissances déclaratives, la séquence mise en œuvre vise aussi à développer des connaissances procédurales au travers d'une démarche d'investigation permettant de développer des capacités d'observation, de questionnement, d'expérimentation et d'argumentation. Ceci sera permis par la proposition d'une situation de départ permettant de déclencher des interrogations et de faire émerger les premières représentations, l'élaboration d'hypothèses de la part des élèves, la proposition d'expériences permettant de les vérifier, la conduite des expériences, ainsi que la structuration et l'acquisition des connaissances déclaratives et procédurales. Sommaire I. Synthèse des connaissances scientifiques nécessaires Savoirs savants... 1 a) Les trois états de l'eau... 2 b) Les changements d'état de l'eau Pertinence par rapport aux programmes... 3 a) Rappel des connaissances et compétences acquises dans les cycles précédents... 3 b) Attentes du cycle Connaissances par rapport aux élèves... 4 II. Séquence détaillée Présentation de la séquence Déroulement des séances Evaluation, différentiation et remédiation...10 a) Evaluation b) Différenciation c) Remédiation III. Conclusion...10 IV. Bibliographie...10 I. Synthèse des connaissances scientifiques nécessaires 1. Savoirs savants La séquence proposée aux élèves de CE2 s'intéresse aux états et changements d état de l'eau mais ne s'intéresse pas aux autres matières, ni à la constitution de la matière, et ne traite que de la molécule d'eau pure

2 a) Les trois états de l'eau L'eau peut exister sous trois états : État solide État liquide État gazeux Caractéristiques État compact et ordonné État compact et désordonné État dispersé et désordonné Exemples Glace, neige, grêle, givre,... Pluie, nuages d eau, cours d'eau, mer,... Vapeur d'eau b) Les changements d'état de l'eau Les différents phénomènes en jeu L'eau pure peut changer d'état par modification de la température ou de la pression. En effet, en refroidissant de l'eau pure liquide, celle-ci passe à l'état solide (glace) en-dessous de 0 C sous pression atmosphérique normale. Ce phénomène s'appelle la solidification de l'eau liquide alors que le phénomène inverse s'appelle la fusion de la glace. De plus, le passage de l'eau liquide à la vapeur d'eau se nomme la vaporisation, alors que le phénomène inverse (passage de la vapeur d'eau à l'eau liquide) s'appelle la condensation ou liquéfaction. Les changements d'état sont réversibles. Ils sont résumés sur le schéma suivant : 1 Liquide 2 Solide Gaz 1. Solidification 3. Sublimation 5. Vaporisation 2. Fusion 4. Condensation solide 6. Liquéfaction ou condensation Pour les phénomènes de fusion de la glace ou de solidification de l'eau liquide, et à pression atmosphérique normale (1 013 hpa), on observe un palier à 0 C caractéristique des corps purs, de même pour l ébullition à 100 C. Lien entre température et pression Les températures des changements d'état dépendent de la pression. En effet, si la pression augmente (comme dans une cocotte-minute par exemple), l'eau atteint l'ébullition à une température supérieure à 100 C, mais si la pression atmosphérique diminue (quand l'altitude augmente par exemple), la température d'ébullition de l'eau est de plus en plus faible. Cas particulier de la vaporisation La vaporisation de l'eau peut s'effectuer de deux manières différentes : l'évaporation qui a lieu à des températures ordinaires et qui se produit à la surface entre le liquide et l'air. Elle dépend de la nature du liquide, de la surface de contact air/liquide, de la température, de la ventilation, du taux d'humidité de l'air. l'ébullition qui se produit dans l'intégralité du liquide. En effet, lorsque l'on chauffe de l'eau à une température atteignant 100 C, à pression atmosphérique normale, de grosses bulles de vapeur se forment à l'intérieur de l'eau. Variation de masse et de volume Lors d'un changement d'état, la masse se conserve mais le volume varie. En effet, le volume de l'eau augmente au cours de la solidification mais ceci est une exception car pour la grande majorité des corps, le volume diminue à la solidification. 2

3 Les différents états de l'eau dans la nature Sous sa forme gazeuse, l'eau se nomme vapeur. Celle-ci est invisible et se trouve en quantité variable selon les conditions atmosphériques. Le taux de vapeur d'eau dans l'atmosphère se mesure à l'aide d'un hygromètre. Les nuages sont visibles donc ils ne sont pas constitués de vapeur d'eau mais de gouttelettes d'eau liquide ou de cristaux de glace. L'air ne peut contenir qu'une certaine quantité de vapeur d'eau et cette quantité maximum diminue lorsque la température baisse. Ainsi, si l'air humide se refroidit, la quantité de vapeur d'eau qu'il peut contenir va diminuer. Au-delà du seuil maximum de vapeur d'eau admissible, une partie de la vapeur d'eau va donc se liquéfier et des gouttelettes d'eau vont se former pour constituer un nuage. Le brouillard et la brume sont des nuages qui ont touché le sol. La buée est constituée de fines gouttelettes d'eau liquide provenant de la liquéfaction d'une partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air ambiant lorsque ce dernier entre en contact avec un milieu plus froid. Le givre se forme dans les mêmes conditions, sous réserve que la température soit négative. La vapeur d'eau se transforme alors directement en glace. 2. Pertinence par rapport aux programmes a) Rappel des connaissances et compétences acquises dans les cycles précédents Selon les nouveaux programmes de l'école maternelle (BO spécial n 2 du 26 mars 2015), domaine «Explorer le monde» et sous-domaine «Explorer le monde du vivant, des objets et de la matière», une première appréhension du concept de matière est favorisée par l action directe sur les matières ou matériaux naturels (l eau, le bois, la terre, ). Des activités conduisant à des transformations sous l effet de la chaleur ou du froid permettent également d approcher quelques propriétés de ces matières et matériaux, quelques aspects de leurs transformations possibles. En fin d école maternelle, il est attendu des enfants qu ils soient capables de choisir, utiliser et désigner des outils et des matériaux adaptés à une situation, à des actions techniques spécifiques. Au cycle 2, dans la sous-discipline «Découvrir le monde du vivant, de la matière et des objets», il est précisé que les élèves distinguent les solides et les liquides et perçoivent les changements d'état de la matière (page 19 du BO Hors-Série du 19 juin 2008). b) Attentes du cycle 3 Les connaissances et compétences à atteindre par les élèves du cycle 3 sont précisées en page 24 du BO Hors-Série du 19 juin 2008 (Programmes de l'école primaire La matière) : «Les sciences expérimentales et les technologies ont pour objectif de comprendre et décrire le monde réel, celui de la nature ( ). 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 ( ) 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 les progrès scientifiques et techniques.». A la fin du cycle 3, les élèves, concernant la thématique de l'eau, sont capables de décrire les différents états de l'eau et les conditions de changements d'état sous pression atmosphérique normale, ainsi que le trajet de l'eau dans la nature, et ont connaissance de la nécessité du maintien de sa qualité pour ses utilisations. Selon le BO n 1 du 5 janvier 2012, qui précise les progressions pour le cycle 2 et le cycle 3, les connaissances attendues en fin de cycle 3 concernant le sous-domaine «La matière» et la thématique de l eau sont en particulier : États et changements d'état : Connaître les trois états physiques de l'eau. Savoir que d'autres matières changent d'état. Mettre en évidence les caractéristiques des différents états physiques observés. 3

4 Isoler des paramètres intervenant dans l'évaporation (température, surface libre, ventilation,...). Savoir que les changements d'état de l'eau se font à température fixe (0 C et 100 C sous pression atmosphérique normale). Découvrir qu'une masse d'eau solide occupe un volume plus important que la même masse d'eau liquide. Vocabulaire associé à acquérir : état physique, matière, solide, liquide, gazeux, ébullition, évaporation, vapeur, condensation, fusion, solidification, glace, vaporisation, liquéfaction. Le trajet de l'eau dans la nature : Connaître et représenter le trajet de l'eau dans la nature (cycle de l'eau). Identifier les changements d'état de l'eau et leurs conséquences dans le cycle. Vocabulaire associé à acquérir : cycle de l'eau, perméable, imperméable, infiltration, nappe phréatique, ruissellement, cours d'eau, évaporation, condensation, précipitations. L eau, une ressource, le maintien de sa qualité pour ses utilisations : Connaître le trajet de l eau domestique de sa provenance à l usager. Différencier eau trouble, limpide, pure, potable. Connaître des méthodes de traitement permettant d obtenir de l eau potable. Vocabulaire associé à acquérir : potable, pure, limpide, décantation, filtration, réseau d eau, station d épuration, traitement, domestique, eaux usées, canalisations. Lien avec la séquence : La séquence proposée dans ce dossier se situe bien dans le champ des programmes de l'école primaire et s'inscrit dans la continuité d'une démarche participative enseignée durant toute la scolarité primaire. 3. Connaissances par rapport aux élèves Selon Nicole Delvolvé (Tous les élèves peuvent apprendre, Hachette Education, 06/2005), «apprendre c est construire des mémoires successives», à la manière d un empilage de mémoires qui consigne la totalité des connaissances, capacités, attitudes. Elle parle également de «réveiller les mémoires» dont les élèves ont besoin pour poursuivre l apprentissage (par une évaluation diagnostique par exemple). La métacognition recouvre tout ce que l élève sait sur la manière d apprendre, sur la façon d effectuer au mieux une tâche cognitive ou sur les stratégies efficaces pour réussir : rôle des émotions, de l estime de soi, des processus mentaux qui autorisent l acquisition des compétences, tels que la mémoire, l attention, le raisonnement. L élève doit être préparé et éduqué à la prise en compte et à la maîtrise de ses compétences métacognitives. De plus, pour l élève, la compréhension est la résultante d un ensemble de processus cognitifs ou mentaux permettant de donner du sens à l information qu il reçoit. Ainsi, donner du sens, et donc comprendre, est une condition nécessaire et indispensable pour apprendre. Enfin, la difficulté d apprentissage rencontrée chez les élèves peut provenir de différentes sources : source cognitive et source métacognitive. Pour l enseignant, repérer les sources c est pouvoir trouver l origine de la difficulté, poser le diagnostic et s interroger sur ce qui fait obstacle à la réussite de l élève en interrogeant chaque compétence suivante : connaissances et savoirs scolaires, aptitudes et capacités, attitudes et connaissance de soi. Une fois le diagnostic posé, l enseignant peut se poser la question de la démarche de remédiation et de l accompagnement personnalisé à mettre en œuvre, en s assurant de prendre en compte l hétérogénéité des élèves. Lien avec la séquence : La séquence proposée ci-après démarre par une séance de découverte qui vise à rappeler les connaissances préalables à l acquisition des nouvelles notions et qui présente une évaluation diagnostique. Les séances suivantes ont pour objectif d optimiser la compréhension par les élèves des objectifs poursuivis, par la mise en place de situations de découverte et de questionnement afin de donner du sens aux apprentissages et favoriser l implication des élèves dans l activité. 4

5 II. Séquence détaillée 1. Présentation de la séquence L'eau dans tous ses états Cycle 3 - CE2 / Périodes 2 ou 3 (de novembre à février) / 6 séances Résumé de la séquence Plan de la séquence La séquence proposée ici vise principalement à systématiser la démarche d investigation (observer, questionner, expérimenter, argumenter). Une situation de départ, permettant de déclencher les interrogations et faire émerger les premières représentations, est proposée lors de la première séance. Trois séances d investigation suivent et ont pour objectifs : l élaboration d hypothèses, la proposition d expériences, la conduite des expériences et la structuration des connaissances étudiées. La séquence se poursuit ensuite par une séance sur le cycle de l eau qui permet de réinvestir les connaissances, et se conclut par une séance d évaluation visant à mettre en évidence les progrès lexicaux ainsi que le degré de maîtrise des phénomènes préalablement étudiés. Séance 1 : Phase de découverte et d évaluation diagnostique : Les différents états de l'eau Séance 2 : Phase d'investigation : Passage état solide état liquide Séance 3 : Phase d'investigation : Passage état liquide état gazeux Séance 4 : Phase d'investigation : L'évaporation Séance 5 : Phase de réinvestissement des connaissances: Le cycle de l'eau Séance 6 : Phase d évaluation Domaine : Découvrir le monde Sous-domaine : La matière Objectifs de la séquence : Être capable de définir les états solide, liquide et gazeux de l'eau. Explorer et observer les changements d'état. Trouver les facteurs qui ont un effet sur les changements d'état. Reconnaître les différents états de l eau et les phénomènes de changements d état dans le cycle naturel de l eau. S approprier les étapes de la démarche d investigation. Mettre en œuvre une expérience. Exploiter et expliciter des résultats. Connaître le vocabulaire associé : état physique, matière, solide, liquide, gazeux, ébullition, évaporation, vapeur, condensation, fusion, solidification, glace, vaporisation, liquéfaction, cycle naturel de l'eau, cours d'eau, précipitations. Compétences en jeu (2è palier pour la maîtrise du socle commun, BO n 3 du 19 juin 2008) : Compétence 1 : La maîtrise de la langue française. L'élève est capable de : S'exprimer à l'oral comme à l'écrit dans un vocabulaire approprié et précis. Lire seul et comprendre un énoncé, une consigne. Comprendre des mots nouveaux et les utiliser à bon escient. Compétence 3 : Les principaux éléments de mathématiques et de 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. 5

6 Compétence 6 : Les compétences sociales et civiques. L'élève est capable de : Respecter les autres, et notamment appliquer les principes de l égalité des filles et des garçons. Prendre part à un dialogue : prendre la parole devant les autres, écouter autrui, formuler et justifier son point de vue. Coopérer avec un ou plusieurs camarades. Compétence 7 : L'autonomie et l'initiative. L'élève est capable de : Respecter des consignes simples en autonomie. Montrer une certaine persévérance dans toutes les activités. 2. Déroulement des séances Séance 1 : Phase de découverte et d'évaluation diagnostique : Les différents états de l'eau Durée totale de la séance : 50 min (4 phases). Séance détaillée ci-après. Dispositif Objectifs : Travail Groupe classe - Travail Groupe classe puis travail Connaître les trois états de l'eau et leurs caractéristiques. Citer des exemples pour chacun des états rencontrés. Matériel : photos (neige, vitre avec buée, glacier, rivière), feuille de travail avec un tableau à trois colonnes (une pour chaque état). 1. Découverte, recueil des conceptions initiales des élèves Présentation de la séquence aux élèves. Demander aux élèves de répondre aux questions suivantes sur leur cahier d expériences et d observations : Où trouve-t-on de l'eau? Est-ce toujours la même eau? Quelles sont les différences? Réponses attendues (critères de réussite) : 1ère question : au robinet, dans les rivières, lorsqu'il neige,... 2è et 3è questions : l'eau est salée, douce, liquide, solide, Mise en commun Collecter les différentes réponses et les écrire au tableau en faisant un premier tri et éventuellement relancer les élèves jusqu'à arriver à un exemple de chacun des trois états de l'eau. Si nécessaire, proposer des photos. 3. Recherche individuelle Distribution des feuilles de travail avec le tableau à 3 colonnes. Demander aux élèves de ranger les éléments écrits au tableau dans une des trois colonnes et de nommer les colonnes. Corriger l'activité en commun, au tableau. 4. Mise en commun/institutionnalisation Réponse collective aux questions suivantes et écriture dans le cahier d expériences et d observations : Où trouve-t-on de l'eau? Mer, glaciers, rivières, pluie, neige,... Quels sont les différents états de l'eau? Liquide, solide, gazeux. 6

7 Séance 2 : Phase d'investigation : Passage état solide état liquide (solidification et fusion) Durée totale de la séance : 60 min (5 phases). Séance détaillée ci-après. Dispositif Objectifs : Connaître les phénomènes de fusion et de solidification. Connaître les facteurs liés à ces changements d'état. Matériel : Un récipient, un congélateur, un glaçon, de l'eau. Groupeclasse- 5 min 1. Rappel de la séance précédente Demander aux élèves de rappeler les différents états de l eau rencontrés. Petits 15 min Groupe classe - Petits 2. Recherche : Demander à la moitié des groupes de réfléchir à un protocole d'expérience pour expliquer le passage de l'état liquide à l'état solide. Demander à l'autre moitié de réfléchir à un protocole d'expérience pour expliquer le passage de l'état solide à l'état liquide. Chaque groupe doit trouver le phénomène en jeu, émettre des hypothèses, rechercher des protocoles d expérience permettant de les vérifier et faire des propositions du résultat attendu. Bien préciser l'importance de définir le matériel nécessaire et les conditions de réalisation. 3. Définition des expériences Mettre en commun les différentes propositions, choisir une expérience pour chaque changement d état et la détailler. 4. Investigation Mettre en œuvre les expériences (exemples à adapter selon les propositions des élèves) : Solidification : placer un récipient d eau au congélateur. Fusion : prendre un glaçon et le laisser à l'air libre dans la classe. Pendant l'attente des résultats : explication des expériences mises en œuvre et schématisation dans le cahier d'expériences et d'observations. Groupe 5. Mise en commun/institutionnalisation classe puis Récapitulation des acquis dans le cahier d'expériences et d'observations : travail Le passage de l'état liquide de l'eau à l'état solide se fait par refroidissement du liquide : c'est la solidification. Le passage de l'état solide à l'état liquide se fait par réchauffement (augmentation de la température) : c'est la fusion. Séance 3 : Phase d'investigation : Passage état liquide état gazeux (vaporisation et liquéfaction ou condensation) Durée totale de la séance : 65 min (5 phases). Séance similaire à la séance 2, non détaillée. Dispositif Objectifs : Connaître les phénomènes de vaporisation (ébullition) et de condensation. Connaître les facteurs liés à ces changements d'état. Groupeclasse-5 min 1. Rappel de la séance précédente 7

8 Petits Groupe classe - Petits 2. Recherche Proposition d hypothèses par les élèves, recherche de protocoles d'expérience pour expliquer le passage de l'état liquide à l'état gazeux ou le passage de l'état gazeux à l'état liquide. 3. Définition des expériences Mettre en commun les différentes propositions, choisir une expérience pour chaque changement d état et la détailler. 4. Investigation Mettre en œuvre les expériences. Groupe 5. Mise en commun/institutionnalisation classe et Récapitulation des acquis dans le cahier d'expériences et d'observations. travail Séance 4 : Phase d'investigation : L'évaporation Durée totale de la séance : 90 min (5 phases) : deux sous-séances organisées sur deux jours. Séance non détaillée. Dispositif Objectif : Isoler les paramètres intervenant dans l'évaporation. Groupeclasse - 10 min 1. Rappel de la séance précédente Quels phénomènes ont été mis en évidence? Quelles expériences ont été mises en œuvre? Petits 30 mn Groupe classe - Petits 2. Recherche Demander ce qui fait évaporer l'eau. Quels paramètres peuvent accélérer l évaporation? Demander aux groupes d émettre des hypothèses et de proposer des expériences mettant en évidence l'influence des paramètres identifiés (température, ventilation, surface de contact air/liquide). Insister sur la nécessité d'un témoin. 3. Définition des expériences Mettre en commun les différentes propositions, choisir une expérience pour chaque changement d état et la détailler. 4. Investigation Mise en œuvre des expériences, explicitation de l expérience dans le cahier d expériences et comparaison des résultats. Groupe 5. Mise en commun/institutionnalisation classe et Présentation par les groupes des expériences mises en œuvre et des travail résultats. Récapitulation des acquis dans le cahier d'expériences et d observations. 8

9 Séance 5 : Phase de réinvestissement : Le cycle naturel de l'eau Dispositif Objectifs : Groupeclasse - 5 min Groupeclasse - 20 min Durée totale de la séance : 40 min (3 phases). Séance détaillée. Connaître et représenter le trajet de l'eau dans la nature. Identifier les changements d'état de l'eau dans le cycle naturel de l'eau ainsi que leurs conséquences. Comprendre que l'eau dans la nature ne disparaît pas mais se transforme. Réinvestir les différents états de l'eau dans le cycle naturel de l'eau. Matériel : Schémas du cycle naturel de l eau. 1. Rappel des séances précédentes Quels sont les différents états de l'eau? Comment se nomment les changements d'état? Quels états de l eau trouve-t-on dans la nature? 2. Découverte D'où vient l'eau de pluie? Quels sont les phénomènes d évaporation et de solidification rencontrés dans la nature? Poser les questions au groupe-classe, les écouter débattre et noter au tableau les idées intéressantes. Proposer aux élèves le schéma du cycle de l'eau suivant (sur vidéo-projecteur ou tableau numérique interactif) et leur demander d'expliquer chaque étape. Travail 15 min Dispositif Objectif : Travail 35 min 3. Mise en commun/institutionnalisation Donner à chacun un schéma du cycle de l'eau à compléter par: évaporation, condensation, chaleur du soleil, précipitations, solidification, ruissellement,... Séance 6 : Evaluation Durée totale de la séance : 35 min Évaluer les acquis des élèves. Demander à chaque élève de compléter un questionnaire sur les différents états de l'eau et les changements d'état. Proposer le schéma du cycle naturel de l'eau sous la forme d'un schéma à compléter. 9

10 3. Evaluation, différentiation et remédiation a) Evaluation La séquence proposée présente différentes formes d évaluation : une évaluation diagnostique lors de la première séance, une évaluation formative à l issue de la séance n 3 par analyse des productions des élèves dans les cahiers d expérience et d observations, observation des élèves ou utilisation de grilles de critères par les élèves, et une évaluation sommative en fin de séquence. b) Différenciation Selon les besoins, différentes formes de différenciation sont envisageables au cours de la séquence : Séance n 1 de découverte : photos ou vidéos illustrant les différents états de l eau. Séances d investigation n 2 à n 4 : différenciation des groupes, de la tâche (reformulation de la consigne, dictée à l adulte, signalement des étapes ), des compétences (schémas des expériences), de l institutionnalisation (focalisation sur ce qui a été fait ou appris), et étayage par le maître. Séance n 5 de réinvestissement : visionnage d une vidéo illustrant le cycle de l eau. c) Remédiation Enfin, à l issue de l évaluation sommative, des activités de remédiation pourront être proposées aux élèves qui n auront pas acquis les compétences visées (grille récapitulant les étapes à suivre lors d une démarche d investigation par exemple). III. Conclusion Cette séquence permet ainsi l acquisition de connaissances et compétences conformes au programme de 2008 au travers d une démarche d investigation contribuant à développer la curiosité, la créativité, l esprit critique et l intérêt pour le progrès scientifique et technique. IV. Bibliographie MEN et Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche. BO Hors-Série n 3 du 19 juin Horaires et programmes d'enseignement de l'école primaire. Pages 19, 24, 27 et 28. MEN. BO N 1 du 5 janvier Progressions pour le cours élémentaire 2è année et le cours moyen. Page 18. MENESR. Le Socle commun de connaissances et des compétences. Décret du 11 juillet Pages 12, 13 et 14. MENESR : BO spécial n 2 du 26 mars Programme d enseignement de l école maternelle. Pages 19 et 20. Site de l'agence de l'eau RMC: Portail national des professionnels de l'éducation. Site de la fondation la main à la pâte : Site de l académie de Lille : pour le schéma du cycle naturel de l eau. 10