Les défis des inventeurs. Guide d exploration et d intégration. Ateliers pour les élèves des premier et deuxième cycles

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1 Les défis des inventeurs Guide d exploration et d intégration Ateliers pour les élèves des premier et deuxième cycles La Maison Léon-Provancher, Québec 2005

2 Ce document a été réalisé grâce à la participation financière du Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie, dans le cadre du programme «PromoScience». Ce programme est la propriété intellectuelle de La Maison Léon-Provancher de Québec et une autorisation de reproduction pour usage pédagogique vous est donnée. Malgré les efforts apportés, il peut comporter des erreurs ou des imprécisions. Il fera l objet, comme toutes les autres productions de l organisme, de révisions périodiques afin d améliorer le contenu et la forme. Tous commentaires ou suggestions permettant son amélioration seront appréciés. Plusieurs autres thèmes ont été produits par La Maison Léon-Provancher, informez-vous! Consultez le ou appelez au Conception, recherche, rédaction et adaptation : Jean Bérubé Geneviève Boucher Johanne Poulin Claire Truchon La Maison Léon-Provancher 1435 Provancher Cap-Rouge (Québec) G1Y 1R Téléphone : (418) Télécopieur : (418) Courriel : semlp@total.net La Maison Léon-Provancher, Québec 1

3 Introduction Ce guide propose des activités d'exploration et d intégration reliées au thème de la création, des inventions et de l imagination. Les jeunes pourront s'interroger sur les inventions, leurs inventeurs et les motifs. Ils seront amenés à entrer dans un processus d'apprentissage par la réalisation de projets ou de défis. Ces activités déclencheront un questionnement et donneront le goût d'en savoir plus sur ce sujet, permettant ainsi de se familiariser avec la démarche expérimentale. Certaines explications naissent spontanément et elles leur sont utiles pour comprendre leur environnement. D autres sont, cependant, plus éloignées de leur vécu. Les activités animées lors de la visite avec l animateur sont alors importantes afin d amener les jeunes à s approprier de nouvelles connaissances et les encourager à poursuivre leurs recherches. Ces ateliers permettent la manipulation, l expérimentation et la découverte par une approche coopérative. Les activités d intégration sont offertes afin de consolider les connaissances acquises sur le sujet et de parfaire le développement de plusieurs compétences. Cadre pédagogique du thème Pendant l exploration de ce thème, l élève pourra apprendre à... Décrire l utilité de certains objets inusités. Identifier la source d idée de plusieurs inventions. Comparer différents éléments de la nature et des inventions. Associer les outils nécessaires à des tâches précises à effectuer. Créer à partir d éléments simples. Également, l élève pourra explorer des savoirs essentiels en science et technologie tels que : Classification d objets selon leurs propriétés et caractéristiques Fonctionnement d objets fabriqués Utilisation d outils Objets techniques usuels Adaptation d un animal à son milieu Utilisation du vivant pour la consommation Évolution des êtres vivants Les mouvements chez les animaux Les propriétés et les caractéristiques de la matière sous différents états Les transformations de la matière Pression Effets combinés de plusieurs forces sur un objet et mettre en œuvre différentes stratégies reliées à la pensée scientifique et technologique. La Maison Léon-Provancher, Québec 2

4 Tableau des compétences transversales Ordres Compétences Composantes COMPÉTENCES D'ORDRE INTELLECTUEL Compétence 1 Exploiter l'information. Compétence 2 Résoudre des problèmes. Compétence 3 Exercer son jugement critique. S'approprier l'information. Reconnaître diverses sources d'information. Tirer profit de l'information. Analyser les éléments de la situation. Imaginer des pistes de solution. Mettre à l'essai des pistes de solution. Adopter un fonctionnement souple. Évaluer sa démarche. Construire son opinion. Exprimer son jugement. Relativiser son jugement. Compétence 4 Mettre en œuvre sa pensée créatrice. S'imprégner des éléments d'une situation. Imaginer des façons de faire S'engager dans une réalisation. Adopter un fonctionnement souple. Compétence 5 Se donner des méthodes de travail efficaces. Analyser la tâche à accomplir. S'engager dans la démarche. Accomplir la tâche. Analyser sa démarche. COMPÉTENCES D'ORDRE MÉTHODOLOGIQUE Compétence 6 S'approprier les technologies de l'information Exploiter les technologies et de la communication. de l'information Utiliser les technologies de l'information et de la communication. et de la communication pour effectuer une tâche. Évaluer l'efficacité de l'utilisation de la technologie. COMPÉTENCES D'ORDRE PERSONNEL ET SOCIAL Compétence 7 Structurer son identité. S'ouvrir aux stimulations environnantes. Prendre conscience de sa place parmi les autres. Mettre à profit ses ressources personnelles. Interagir avec ouverture d'esprit Compétence 8 dans différents contextes. Coopérer. Contribuer au travail collectif. Tirer profit du travail en coopération. COMPÉTENCE Compétence 9 Établir l'intention de la communication. DE L'ORDRE DE Communiquer de façon Choisir le mode de communication. LA COMMUNICATION appropriée. Réaliser sa communication. Les activités vécues lors de la visite et les activités suggérées dans ce guide visent le développement de chacune de ces compétences et de leurs composantes respectives. La Maison Léon-Provancher, Québec 3

5 Activités d exploration ou d intégration suggérées Ces suggestions d activités peuvent servir à préparer la visite ou à poursuivre les apprentissages. Elles se réalisent sous forme de projets à travailler en équipe. Bonnes découvertes! Dans l temps Éveil ou retour sur l atelier «Chaque travail a son outil» Déroulement : inviter les jeunes à rechercher, sur internet, un métier ancien pratiqué par nos ancêtres. Leur faire choisir un outil typique de ce métier et retracer l évolution de cet outil. Comment a-t-il évolué au cours des générations? Existe-t-il encore? Le fabrique-t-on avec les mêmes matériaux aujourd hui? Conclure avec une présentation des métiers et des outils en expliquant leur fonction et leur évolution. Trucs pédagogiques Inviter des parents ou autres personnes pour parler de leur travail et présenter des outils. Discuter de l arrivée de nouvelles technologies dans notre histoire récente et faire raconter comment elles transforment la vie des gens (télévision, four micro-ondes, ordinateur, téléphone portable, caméra numérique, GPS, voiture hybride, nanotechnologies, robotique, etc.). Faire choisir un métier pour retrouver comment il peut utiliser ces différentes technologies. Proposer un problème ou une tâche et faire trouver l outil ou la technologie à employer. Utiliser les TIC pour planifier, chercher et traiter l information. Voici quelques suggestions d adresses : (technologies canadiennes pour apprivoiser l hiver et les grands espaces) (inventions canadiennes dans nos maisons) (objets du 20è siècle) (objets d autrefois) La Maison Léon-Provancher, Québec 4

6 Quelle ressemblance! Éveil et retour sur l activité «Une nature à copier» Déroulement : faire associer l invention à l élément naturel copié en page annexe 1. Cette activité peut être un éveil (hypothèses) ou un retour (évaluation) à l atelier vécu. Trucs pédagogiques Faire bricoler une invention inspirée de la nature et la présenter à la classe ou en exposition (la page annexe 2 présente deux exemples). Trouver des adaptations d un animal ou d une plante à son milieu. Les faire comparer à des inventions des humains qui leur ressemblent et créer des objets qui les copient. Proposer une recherche sur les parties du corps humain qui sont copiées pour aider les personnes malades ou handicapées (coeur, poumon, rein, prothèses, implant, etc.). Utiliser les TIC pour planifier, chercher et traiter l information. Voici quelques suggestions d adresses : (émission sur les insectes inventeurs) radio-canada.ca/actualite/v2/decouverte/niveau2_928.shtml (la jambe bionique) pneus_tourisme/hiver/contiwintercontact_ts_780/feature1_fr.html (bionique et pneus) frame.htm (présentation de la bionique et exemples) La Maison Léon-Provancher, Québec 5

7 «Quessessa?» Éveil ou retour sur l activité «Objets mystérieux» Déroulement : demander aux jeunes d apporter un objet inusité et sans danger de la maison. Chaque jeune présente son objet et demande à la classe d émettre des hypothèses quant à son utilité. Discuter ensemble de la nécessité de cet objet. Est-il vraiment utile? Un autre peut-il le remplacer? Est-ce un objet superflu? Débattre de la surconsommation et de moyens de la réduire. Trucs pédagogiques Faire découper des photos ou dessins d outils et d objets dans des revues, journaux, catalogues, collections virtuelles, etc. et les classer selon différents critères (électrique ou manuel, utile ou superflu, etc.). Présenter des défis à réussir avec des objets ou des situations simples (jouet ou autre objet à réparer, à remonter, etc.). Dans un magasin à 1$ choisir des objets faciles à démonter et à remonter. Utiliser la page annexe 3 pour retrouver les morceaux ou pour vous inspirer. Visiter une usine de montage, un garage, une clinique ou tout autre endroit où sont utilisés des objets mystérieux dans l entourage de l école. Utiliser les TIC pour planifier, chercher et traiter l information. Voici quelques suggestions d adresses : (recherche d images d objets mystérieux) (collection virtuelle du Musée des civilisations) (collections du Musée de la civilisation) La Maison Léon-Provancher, Québec 6

8 L affaire est dans le sac! Éveil ou retour de l atelier «Léonard en herbe» Déroulement : Lorsqu on découpe un grand sac en suivant les lignes d assemblage, il ne ressemble plus du tout à un sac. C est Madame Margaret Knight qui a inventé, en 1867, une machine à fabriquer des sacs en papier à fond plat. En faire l expérience avec la classe. Proposer un défi aux équipes de classe : créer un sac servant à envelopper un objet aux formes irrégulières. À l aide d un crayon, les équipes dessinent le patron du sac sur de grandes feuilles de papier. Elles découpent le patron pour obtenir la forme prévue. Il suffit d assembler les parties en les collant. Pas facile! Trucs pédagogiques Faire construire des tours infernales à l aide de papier et de quelques morceaux de papier collant et faire un concours de la plus haute, de la plus résistante, etc. Mesurer les tours et comparer. En profiter pour parler des unités de mesure (cm, m, g, kg, etc.). Expérimenter la résistance de certains éléments de la nature ou en observer quelques-uns (tige et feuille de plante, barrage de castor, termitière, arbre dans un ouragan, oeuf, carapace, etc.). Rechercher des noms de scientifiques ou inventeurs qui ont créé un objet important ou qui ont fait avancer la science par leur imagination. Utiliser les TIC pour planifier, chercher et traiter l information. Voici quelques suggestions d adresses : madeincanada_fr.cfm (jeu sur les inventeurs canadiens) artdevinci.free.fr/leonard/index.htm (plans des inventions de Léonard De Vinci) (défi génie inventif : de beaux exemples de créativité!) La Maison Léon-Provancher, Québec 7

9 Animation offerte Ateliers Chaque travail a son outil association d outils avec leur utilisation lien avec les métiers utilisant ces outils Objets mystérieux défi pour trouver les utilisations possibles à un objet inusité identifier les besoins à l origine de certains objets réflexion sur les objets essentiels et ceux qui sont superflus Une nature à copier jeu pour trouver des analogies avec des éléments de la nature et des inventions créées par l être humain en s inspirant d elle petites histoires de vraies inventions inspirées de la nature observations d animaux vivants et liens avec des inventions Léonard en herbe défis à relever pour créer des structures plus résistantes à partir de feuilles de papier présentation de Léonard de Vinci La Maison Léon-Provancher, Québec 8

10 Activités d intégration Ces suggestions visent à favoriser la réalisation de projets, leur diffusion et l évaluation. Organiser un concours d objets inventés à partir de matériel récupéré dans l école et les exposer. Faire voter l ensemble des élèves de l école pour le plus original, le plus beau, le plus utile, le plus drôle, etc. Inviter les jeunes à être attentifs lors d une visite dans un magasin à prix modiques ou un marché aux puces afin de rapporter un objet bizarre ou inutile. Choisir un objet mystérieux à chaque semaine et faire voter les élèves pour qu ils découvrent l utilité de l objet de la semaine. Organiser une semaine «métiers et technologies», inviter des parents à présenter aux élèves une ou des technologies utilisées pour accomplir leurs tâches. Planifier une expo-science sur le thème des inventions. Inviter les élèves à présenter différentes inventions inspirées de la nature ou de nouvelles idées mettant l imagination et la créativité en évidence pour résoudre différents problèmes. La Maison Léon-Provancher, Québec 9

11 CONTENU NOTIONNEL Imagination L imagination est essentielle aux créateurs et inventeurs. L imagination est la capacité que possède l esprit de se représenter des images. Le cerveau peut former des images d objets qu on n a jamais vus et faire des combinaisons nouvelles d images. L inventeur va donc, grâce à l imagination, avoir la faculté de créer en combinant des idées ou en modifiant l utilisation de différents objets. Léonard de Vinci Léonard de Vinci était un peintre, sculpteur, architecte, ingénieur et savant italien. Il vécut voilà près de 500 ans. Il est surtout célèbre, comme peintre, pour sa toile intitulée «La Joconde». Il s intéressa à toutes les branches de l art (architecture, sculpture, etc.) et également de la science et des techniques. Il a légué des écrits et des étonnants carnets de dessins. Il a étudié, entre autres, le vol des oiseaux et l hydrodynamique des poissons et mammifères marins. La forme plissée Dans la nature, la coquille de pétoncle est plus résistante grâce à son ondulation. La formation de plis permet à la feuille de papier de mieux répartir sa force pour soutenir l objet. Quant à la feuille de palmier, ses ondulations permettent à la feuille d être plus longue et ainsi pouvoir faire plus de photosynthèse. La boîte de conserve est ondulée ce qui lui permet d être plus solide. La structure d abeilles La solidité des cylindres est augmentée lorsqu ils sont collés les uns aux autres. On appelle ce regroupement une structure d abeilles. Les cylindres, lorsqu ils sont serrés, ont tendance à s aplatir et à former des hexagones. Les rouleaux de papier sont serrés dans une boîte basse en carton. Une planche de bois est placée dessus. Un enfant peut être supporté par cette structure. C est le même système qui est utilisé dans plusieurs matériaux pour les rendre plus résistants. Certains cartons de boîtes sont fabriqués de cette façon. La Maison Léon-Provancher, Québec 10

12 Quelques inventions inspirées de la nature L Éole Clément Ader, en 1890, a inventé la première machine volante, à pouvoir s élever dans les airs à l aide d un moteur. Elle fut inspirée de la chauve-souris et des dessins de Léonard de Vinci. L hélice Sir George Cayley, en 1808, remarqua, en observant les graines d érable (samares), que l hélice pouvait aussi freiner la chute d un objet en tournant sur elle-même. Ce principe permet le maintien de l hélicoptère dans les airs. Le «Crystal Palace» de Londres Sir Joseph Paxton, en 1851, a conçu les plans de cet immense bâtiment. Il imitait la structure d une des plus grandes feuilles du monde, celle d un nénuphar géant (Victoria regia). Malgré sa largeur d environ deux mètres, la feuille reste rigide grâce à ses nervures. Les poutrelles du bâtiment copiant ces nervures et son toit vitré constituaient une révolution. La monopalme Monsieur Kervinio, en 1960, s est inspiré de la queue de la baleine ou du dauphin. La monopalme augmente la vitesse des nageurs qui l utilisent par une amélioration de l écoulement de l eau et une meilleure propulsion. La Maison Léon-Provancher, Québec 11

13 Le «Velcro» Georges de Mestral, en 1951, imite le fruit plein de crochets de la bardane pour créer le velcro. Le mot velcro vient de velours et crochet. Le papier à base de fibres de bois Les guêpes fabriquent leurs nids à l aide de fibres de bois mêlées de salive. On fabriqua du papier ainsi à partir de C était une idée de René Antoine de Réaumur. Un gilet pare-balles Dans un avenir très rapproché, un gilet pare-balles sera mis au point à l aide d un matériel inusité : des fibres inspirées des fils de soie d une araignée «Nephila clavipes». Ce matériel est très résistant et élastique et pourrait supplanter le «Kevlar». La nature y avait pensé avant nous (des analogies) Pince et pince de crabe Hache et dent de castor Hélicoptère et libellule Seringue et pièces buccales de moustique La Maison Léon-Provancher, Québec 12

14 Page annexe 1 Quelle ressemblance! Découper et associer l invention à l élément naturel copié. Hélice Fruit de bardane (toque) Tôle ondulée Forme de la chauve-souris Velcro Coquille de pétoncle Éole Samare d érable La Maison Léon-Provancher, Québec 13

15 Page annexe 2 Une hélice inspirée de la samare de l érable Matériel à se procurer un carton de 5 x 15 par jeune des ciseaux des trombones préparer un modèle à montrer aux jeunes Fabrication 1) Faire découper la bande de carton au milieu, jusqu à la moitié de la longueur, selon le modèle. 2) Faire plier le bout restant en accordéon et replier les 2 hélices en observant le modèle. 3) Faire installer le trombone au bout. Du papier plus fort inspiré de la coquille de pétoncle Matériel à se procurer : un bout de papier 2 crayons une gomme à effacer par équipe Fabrication : 1) Expliquer le défi : faire tenir la gomme à effacer sur le papier qui repose sur les 2 crayons sans que le papier touche à la table. Indice : il est possible de plier le papier. Voir l illustration et démontrer la position de départ aux équipes. 3) Remettre le matériel et superviser les équipes. 4) Expliquer et démontrer la solution (voir l illustration). En pliant le papier celui-ci devient plus résistant, comme la coquille de pétoncle ou la tôle ondulée sur les toits. La Maison Léon-Provancher, Québec 14

16 Page annexe 3 Des objets en morceaux Morceaux Objets Fonctionnement Ressorts et pièce mobile Stylo qui fait clic-clic Le ressort permet au mécanisme de tenir la pointe du stylo en place. Moteur et piles Ventilateur L'électricité des piles actionne le moteur. Il fait tourner les hélices qui poussent l'air. Clavier, pile et écran Calculatrice En appuyant sur un bouton, la puce électronique est touchée et envoie le message à l'écran. Ampoule, réflecteur et piles Lampe de poche L'électricité des piles traverse le petit fil de métal dans l'ampoule et la fait éclairer. La Maison Léon-Provancher, Québec 15