PROGRESSION «Défi véhicule» (EMN Ecole Georges Sand CP44) Eléments de connaissance et de compétences sur les objets techniques (Cycle 3, documents de janvier 2012, DEGESCO) : Objets mécaniques, la transmission de mouvements (CM1) : - Concevoir et expérimenter un dispositif technique pour soulever ou déplacer un objet Objets mécaniques, la transmission de mouvements (CM2) : - Analyser et comparer le fonctionnement de différents objets de la vie quotidienne dans lesquels un mouvement est transmis ou transformé. Identifier ces transformations et ces transmissions. - Connaître des dispositifs de transmission du mouvement. - Connaître des dispositifs de transformation du mouvement Objectif possibles de la séquence en lien avec les instructions officielles : - repérer une même solution technique assurant des fonctions différentes (ex : un moteur électrique qui entraîne une hélice fabrication de vent - ou une roue transmission du mouvement de rotation) - repérer différentes solutions techniques assurant une même fonction (ex : fonction de roulement : sur un même essieu on peut utiliser un axe mobile solidaire des deux roues ou un axe fixe (par rapport au châssis) avec deux roues mobiles) - préciser des raisons motivant le choix d un élément de solution (par exemple un matériau) pour un objet et un contexte précis - réaliser des objets techniques répondant à une fonction. Objectifs annoncés : n 1 : «Comment fabriquer un objet/véhicule qui roule», n 2 : «Comment faire pour que l objet se propulse tout seul» Organisation : La première séance sera par exemple consacrée au tri d une collection de «véhicules» ou d objets «roulants» que les élèves auront amenés en classe et moi-même (véhicules télécommandés et radiocommandés, à friction, à moteur électrique, jouets, billes, balles.) A partir de ce tri, nous serons amenés à identifier : - les objets qui roulent le mieux, ceux qui vont le plus vite, ceux qui vont le plus loin - les fonctions nécessaires à un véhicule circulant sur la terre ferme, constitué d un châssis muni de roues. En parallèle, une séance en Histoire peut être programmée afin d amener les élèves à observer les véhicules de différentes époques ;
Séances Phase de la démarche Déroulement Trace Ecrite 1 Motivation Question d'intérêt situation problème L objectif est d abord de fabriquer un objet roulant et ensuite de chercher un moyen de propulsion. Construire la liste du matériel nécessaire avec les élèves (libre). Leur faire dessiner ce matériel. Lister au tableau Trier Arriver à la formulation de la question. Formulation d'un questionnement clair Comment fabriquer un objet roulant? 2 Investigation Recherche d'hypothèse Retour sur la question posée représentation des élèves : dessin et schéma des véhicules par groupe de 2 Acquisition et structuration Protocole d'expérimentation Rédaction des résultats conclusion Présentation des résultats mise en commun Conclusion collective de la séance Synthèse écrite Expérimentation en petits groupes Avec le matériel rapporté Résultats des expériences Trier les montages qui ont fonctionné et ceux qui n ont pas fonctionné, Faire une conclusion commune avec les élèves et la noter. Ecrire la question Dessin légendé avec quelques mots (CE1-CE2) Prévoir (en fonction de la liste du matériel proposée par les élèves lors de la séance 2) : - des boites d'éléments de construction modulaire - du matériel récupéré mis à disposition des élèves permettant d'élaborer des prototypes. (bouchon, paille, piques en bois, bouteilles en plastique, boîtes à chaussures.) Noter si cela a fonctionné ou non, mesurer la distance avec un mètre. Prendre les photos des prototypes qui ont fonctionné et ceux qui n ont pas fonctionné. Nous avons essayé de mettre en mouvement nos véhicules, pour certains groupes cela a fonctionné et pour d autres non.
3 Motivation Formulation d'un questionnement clair Comment expliquer que certains prototypes ont fonctionné et d autres non? Ecrire la question A3 avec les 6 images et projection de cet A3 Investigation Recherche d'hypothèse Faire des hypothèses sur les raisons des mauvais fonctionnements, chercher des moyens d améliorer les prototypes. Faire émerger des paramètres importants : Volume de la voiture Masse de la voiture Nature des roues Diamètre des roues Parallélisme des essieux Proposition de matériel (= contrainte) utiles et non. 4 expérimentation Protocole d expérimentation Amélioration des prototypes en fonction des paramètres mis en évidence précédemment. A3 avec les 6 images et projection de cet A3 Acquisition et structuration Conclusion collective de la séance Synthèse écrite Confirmer l importance des paramètres. Donner le vocabulaire dans la conclusion commune. Validation d un seul modèle pour la classe (pour les petits) Trace écrite. Schéma à compléter (Roues, essieu, axe, chassis) A partir d un protocole de construction (fiche technique ) rédigé à partir des premiers croquis revus et corrigés en fonction des réalisations et des analyses faites en classe, les élèves fabriquent leur objet «roulant», avec le mode de propulsion choisi. Quelques séances sont à insérer sur d autres temps de classe (//techno, arts visuels).
5 Motivation Question/défi Comment faire pour que notre véhicule avance tout seul? Ecrire la question Investigation Recherche de solution Réflexion individuelle puis présentation du matériel (une boite/groupe avec du matériel différent pour chaque groupe) (voir guidage 1) Production de dessins et une phrase Elastiques, ballon, moteur électrique, voile, pic à brochette, engrenages, poulies, bouteilles, cuillères en plastique (pour faire une roues à aubes), bouchons en liège. Réflexion par groupe avec choix de matériel Structuration Mise en commun des différentes solutions Schématisation (avec liste du matériel choisi) Un schéma légendé par équipe Vocabulaire : engrenage, transmission, courroie 6 Investigation Expérience/test Réalisation selon le schéma produit Faire attention pour les groupes dont le mobile ne fonctionne pas : faire expliciter les difficultés rencontrées avant de poursuivre. Structuration Schématisation Noter les solutions qui marches et les problèmes rencontrés (par groupe) 7 Investigation Expérience/test Réalisation selon le schéma produit Améliorer son dispositif/dépasser les difficultés liées à la compréhension du fonctionnement du dispositif (transmission du mouvement, frottements, etc.) (voir guidage 2) Structuration Mise en commun/identification des solutions qui fonctionnent Noter les solutions qui marches et les problèmes rencontrés (classe entière).
8 Fin possible Art visuel pour ceux dont le véhicule roule et amélioration pour les autres. Noter les modifications apportées, prendre des photos Eléments de guidage 1: Le choix du matériel doit être discuté. Comme dans d autres progressions techniques, le matériel mis à disposition des élèves va influencer fortement l orientation de la séquence. Un choix de matériel restreint proposé par l enseignant pourra permettre de maîtriser au mieux les solutions proposées par les élèves et donc les apprentissages. En général, une demande de matériel directe aux élèves les conduits à utiliser des solutions «toutes faites» (comme la récupération d un ensemble moteur/roues sur un véhicule radiocommandé) qui seront, à la fois très (trop) diverse et souvent peu génératrices d apprentissages fondamentaux. Au contraire, un choix de matériel restreint impose des contraintes qui seront formatrices (réfléchir aux moyens d utiliser au mieux le matériel) et ne réduit en général pas la diversité des solutions proposées. Cela permet à l enseignant d anticiper les choix de solutions des élèves pour, par exemple, les tester avant les séances (ce qui peu être fondamental suivant le degré de maîtrise de l enseignant).
Eléments de guidage 2: Concernant la levée des «points durs» de cette progression, on peut observer deux types de difficultés : - les difficultés purement techniques (ex. comment faire tenir le moteur) - les difficultés conceptuelles (ex. comment transmettre le mouvement de rotation du moteur aux roues ou pourquoi le ventilateur ne doit pas être sur l objet roulant équipé de la voile) Pour les premières, un tâtonnement expérimental peut conduire à une solution acceptable, par exemple, ajouter des couches de scotch à la place d utiliser de la colle pour fixer un moteur ne produira pas une solution «optimale» mais au moins fonctionnelle. Cependant, un guidage de l enseignant pourra permettre aux élèves d anticiper les difficultés (par le biais d un questionnement approprié comme «que va-t-il se passer si l on tend l élastique?») et ainsi de trouver une(des) solution(s) au fur et à mesure du développement du prototype. Le risque, si on laisse les enfants aller dans une «mauvaise» direction trop longtemps, c est d être obligé de tout recommencer alors qu on est presque au arrivé au but, ce qui peut être source de découragement.
Pour les deuxièmes, un guidage est nécessaire sans quoi la solution peut très bien ne jamais venir d elle-même (par essai-erreur) ou arriver «par hasard» sans que cela conduise à un apprentissage. Deux difficultés peuvent survenir dans cette progression : l une concerne la transmission du mouvement et l autre fait référence au principe d action/réaction. 1) Dans le cas de la transmission du mouvement de rotation, le problème est particulièrement criant (mais dépend aussi de l âge et de l expérience des enfants) car conceptuellement difficile. Le fait de devoir relier le bout du moteur, la partie «qui tourne», aux roues, est généralement trouvé mais le moyen d y parvenir suppose de prendre en compte beaucoup de paramètres : quel «média» (fil, paille, élastique, etc) comment disposer les deux éléments (placer les deux axes parallèlement l un à l autre ou les poulies dans un même plan, n est pas immédiat!), etc. Un élément facilitateur dans ce cas là peut être une recherche documentaire pour amener les élèves à identifier les moyens généralement utilisés pour ce type de transmission dans les produits «commerciaux» (typiquement le vélo ou la moto) et à en dégager quelques principes techniques communs : une courroie ou une chaine «entoure» les deux poulies ou pignons qui sont dans un même plan (c'est-à-dire que leur axes sont parallèles et la courroie ou la chaine n est pas «tordue»). 2) Dans le cas de l action des forces, on pourra avoir recours à des exemples «approchant», des analogies, si l on a assez de temps pour organiser des activités spécifiques supplémentaires. Il est possible de parler de «force» (ou d action), le concept de force n est pas à l école primaire mais le mot est souvent déjà connu et il induit moins de raisonnements erronés que «effort». Par exemple : demander à un élève de déplacer une table de la classe, c'est-à-dire d exercer une force ou une action sur la table pour la faire bouger à l image de ce que fait le ventilateur (on peut préciser ou faire constater que le ventilateur n est pas assez puissant pour faire bouger la table, c est pourquoi on demande de pousser, la raison peut aussi venir de l élève). Lui demander ensuite de s asseoir sur la même table (ne pas choisir une chaise, il est important que ses pieds ne touchent pas le sol) et de la déplacer comme dans l essai précédent. L amener à identifier ce qui a changé entre les deux situations et qu étant lié à la table, il ne peut plus exercer une action sur elle par rapport au sol. (on peut alors demander le transfert de cette situation à un exemple identique mais plus proche du véhicule comme déplacer un vélo si l on ne pédale pas ou un petit chariot) Ces deux actions de guidage peuvent prendre un temps assez important en fonction du cycle concerné et en fonction des objectifs d apprentissage que l on s est fixé (typiquement, au moins une séance supplémentaire non prise en compte dans la programmation initiale). Pour des compléments, voir les fiches connaissances de 2002 (fiche 25 par exemple) et la suite.
Eléments techniques pour l enseignant Exemple de prototype de véhicule avec essieu (axe) fixé au châssis et roues mobiles : Roue «libre» Essieu avant Axe de rotation fixé au châssis = essieu arrière Châssis Exemple de prototype d essieu (axe) libre (et roues solidaires de l essieu)
Paille jouant le rôle de «palier» collée au châssis. Roue Axe de rotation ou essieu Châssis Transmission de mouvement (type vélo mais avec une courroie à la pace d une chaîne) :
Pignon denté Pignon denté Courroie de transmission (crantée) Les principaux points techniques abordés dans cette progression concernent le mouvement de rotation, la transmission d un mouvement et les
frottements : 1. Le mouvement de rotation : Les roues du véhicule doivent tourner librement. Pour cela, il faut soit un axe de rotation fixé au châssis (voir photos ci-dessus) et des roues qui tournent autour librement, soit un axe de rotation «libre» (non fixé au châssis) et des roues fixées à lui. Dans tous les cas, l axe de rotation des roues doit passer par le milieu (centre géométrique) des roues ou le plus près possible, sinon la roue tournera «comme une patate» ce qui occasionnera des points durs qui gêneront le bon fonctionnement du véhicule (il faudra plus ou moins de force pour le faire avancer). 2. La transmission du mouvement Pour que le véhicule avance il faut qu une force soit exercée entre lui et l extérieur (sol, air, etc.). Il existe deux moyens classiques : en s appuyant sur l air (ventilateur + voile, moteur + hélice, etc), en utilisant le principe d action-réaction (ballon gonflé, catapulte embarquée) ou en mettant directement ou indirectement en rotation les roues. Pour ce dernier moyen, il faut qu une liaison existe entre un «moteur» (moteur électrique, roue à aubes, hélice, etc.) et les roues ou l axe de rotation des roues. Les liaisons les plus courantes sont : la courroie (par exemple un élastique), la chaine (comme le vélo), les galets d entrainement (voir Solex) et les engrenages (boite de vitesse de voiture). 3. Les frottements aux axes de rotation Aussi bien pour la rotation des roues que pour la transmission du mouvement de rotation aux roues il y a présence de frottements qui s opposent à l effet souhaité. Il convient de les minimiser en utilisant par exemple des axes aussi lisses que possible ou des couples palier/axe simples (par exemple le couple paille/pic à brochette fonctionne très bien). Les effets des frottements sont en général augmentés lorsque la masse du véhicule augmente. L utilisation de matériaux légers est donc toute indiquée (polystyrène pour le châssis, par exemple). Un «moteur» aussi léger que possible est donc souhaitable (élastique par exemple), ceci inclus la source d énergie (comme les piles). NB : certains frottements sont cependant «utiles», voir nécessaires : les roues ne doivent pas glisser sur le sol si l on veut qu elles roulent, par exemple (exactement comme pour nos chaussures sur le sol quand on marche). Il ne faut donc pas dire que tous les frottements sont «mauvais».