Dossier pédagogique Cycle 3 Niveau : CM1 CM2 Présentation pédagogique L intérêt pédagogique La maquette ou banc d essai BE Arche permet de faire découvrir aux élèves de cycle 3 (Niveau CM1 ou CM2) une solution technique dans le domaine de l habitat et des ouvrages. Maquette disponible chez le fournisseur A4 technologie sous la référence : BE Arche Société A4 Technologie 5 Avenue de l'atlantique 91940 Les Ulis Tél. : 01 64 86 41 00 Cette maquette pédagogique permet en particulier de mettre en évidence à partir d une structure réalisée par empilement (des briques) le principe de stabilité d une arche. Les élèves construisent des murs et une arche et observent que les efforts sont transmis latéralement et que la stabilité dépend du poids ou de la résistance latérale des murs ou structures latérales (exemple illustré dans un pont). La démarche d investigation Les élèves à l aide des briques au travers de trois activités manipulatoires vont chercher à répondre aux questions suivantes sur les structures par empilement : - Comment construire des murs solides? - Comment réaliser une ouverture dans un bâtiment ou un ouvrage? - Comment augmenter la rigidité d une structure? Toutes ces questions vont permettre de travailler la découverte des propriétés des matériaux, les «solutions techniques» autour d un objet technique (ici une maison ou un pont). Ces activités pourront être prolongées à travers l évolution de l objet technique. L Intérêt du matériel proposé La simplicité Un nombre limité de voussoirs et de briques permet des manipulations faciles sans perte excessive de temps. Le côté pratique Les pièces sont suffisamment larges (20 mm) pour un empilement stable sans avoir recours à des supports latéraux qui fausseraient les essais. Les pièces sont rangées sur un support qui permet au professeur de contrôler rapidement si le banc d essai est complet. La similitude avec le réel Page 1
Les voussoirs et contre-voussoirs lourds (pierre reconstituée) permettent un comportement du banc d essai semblable à la réalité. Le gabarit de montage permet de monter l arche dans des conditions proche de la réalité Page 2
Activité 1 La construction d un mur Fiche professeur 1. Remarques générales Mettre en groupe (3 ou 4 élèves) la classe selon le nombre de maquettes disponibles. Matériel nécessaire pour chaque groupe de la classe : 32 Briques blanches en plastique (fourni dans le banc d essai BE Arche). A travers trois manipulations les élèves cherchent à répondre à la problématique suivante : Comment construire des murs solides dans un habitat ou un ouvrage? Remarque Ce problème technique est lié aux fonctions suivantes : - protéger les êtres humains des intempéries (orage, tempête, tornade, etc.) - soutenir le toit, - participer à la solidité d ensemble d une habitation ou d un ouvrage d art (pont, tunnels, etc.). Etc. 2. Les investigations proposées La problématique Comment construire des murs solides dans un habitat ou un ouvrage? La formulation d hypothèse(s) Les élèves peuvent formuler des hypothèses comme par exemple : «pour construire un mur solide il suffit de mettre des gros blocs». On peut commencer par recueillir les remarques des élèves pour introduire les manipulations. L investigation ou la résolution du problème conduite par les élèves Manipulation 1 : la construction de deux types de murs Manipulation 2 : le test de la solidité des murs L acquisition et la structuration des connaissances A la fin de chaque manipulation, le professeur fait une synthèse des compte-rendu des manipulations et structure les connaissances sur le cahier ou le classeur (voir fiche suivante «Production attendue des élèves»). Manipulation 3 : la construction d un mur à l aide d un liant (activité complémentaire). Remarque : cette manipulation nécessite des ramequins, de la colle à papier peint et des pinceaux. L acquisition et la structuration des connaissances A la fin de chaque manipulation, le professeur fait une synthèse des compte-rendus des manipulations et structure les connaissances sur le cahier ou le classeur (voir fiche suivante «Production attendue des élèves»). La mobilisation des connaissances Il est possible de prolonger l activité en proposant aux élèves de faire des recherches sur Internet sur l origine des bâtiments et ouvrages à arcs à partir des sites Web suivants : Les arts et métiers : www.arts-et-metiers.fr Site d architecture : fr.structurae.de PS : Sur le cédérom vous trouverez également une vidéo qui montre l effondrement de l arche. Page 3
Production attendue des élèves (modèle de la page cahier ou classeur élève) Comment construire des murs solides dans un habitat ou un ouvrage? Manipulation 1 J ai assemblé les deux types de murs avec 16 briques Manipulation 2 J ai testé la solidité des deux types de mur en poussant avec un objet (règle). Empilement Empilement avec entrecroisement Compte-rendu de la manipulation - Le mur constitué de briques empilées (Principe technique N 1) n est pas très solide. Il n a pas de cohésion. - Le mur constitué de briques empilées et entrecroisées (Principe technique N 2) est plus solide. Les briques entrecroisées se tiennent entre elles (elles sont imbriquées). Conclusion Pour construire un mur solide on peut appliquer le principe technique suivant : entrecroiser les blocs (briques, parpaings, etc.). Manipulation 3 Compte-rendu de la manipulation J ai assemblé les blocs avec de la colle. Le mur est plus solide lorsque que les blocs (briques, parpaings, etc.) sont liés entre eux par une colle. Conclusion générale : Pour qu un mur soit plus solide on peut utiliser des blocs plus gros, les entrecroiser, les coller. Page 4
Fiche élève Comment construire des murs solides dans habitat ou un ouvrage? Manipulation 1 Travail à faire : À partir des deux dessins, construire chaque type de murs à l aide de 16 briques. Principe technique Structure par empilement Principe technique Structure par empilement et entrecroisement Faire un croquis des deux structures réalisées. Manipulation 2 Test à faire : En vous aidant d un objet (par exemple une règle), évaluer la solidité de chaque mur. Principe technique Structure par empilement Principe technique Structure par empilement et entrecroisement Faire un croquis des deux structures réalisées. Que constate-t-on par rapport à la solidité de chacune des solutions techniques testées. Énoncer un principe technique pour construire des murs solides à partir de blocs empilés. Page 5
Proposition de prolongement d activité. Manipulation 3 Travail à faire : Lier chaque bloc du principe technique à l aide de la colle (mortier ou colle papier peint). Après séchage tester la résistance du mur. Que constatez-vous par rapport à la solidité du mur? Conclusion générale À partir des trois manipulations précédentes, lister les différentes solutions techniques pour augmenter la solidité d un mur. Page 6
Activité 2 La construction d une arche Fiche professeur 1. Remarques générales Matériel nécessaire pour chaque groupe : Bancs d essai «BE Arche» (socle, gabarit, voussoirs, contre voussoirs, clé de voûte en pierre reconstituée et briques en plastique). A travers différentes manipulations les élèves cherchent à répondre à la problématique suivante : Comment réaliser une arche dans un habitat ou un ouvrage? 2. Les investigations proposées Dans un premier temps le professeur démarre sa séquence autour d une réflexion portant sur le problème suivant : Existe-il différents types d ouverture dans un bâtiment ou un ouvrage? Dans un second temps il lance les manipulations suivantes : La problématique Comment réaliser une arche dans un habitat ou un ouvrage? La formulation d hypothèse(s) Les élèves peuvent formuler des hypothèses comme par exemple : «pour construire une ouverture il suffit de faire un trou». On peut commencer par recueillir les remarques des élèves pour introduire les manipulations. L investigation ou la résolution du problème conduite par les élèves Manipulation 1 : Montage de l arche sans gabarit Le professeur présente l arche monté. Les élèves cherchent à monter l arche sans utiliser le gabarit. Le professeur demande aux élèves de rechercher une solution pour faciliter le montage de l arche. Une première synthèse est faite et le professeur propose d utiliser un gabarit de montage. Manipulation 2 : Montage de l arche avec gabarit Manipulation 3 : Test de l arche lorsqu on appuie sur la structure par le haut Manipulation 4 : Test de l arche lorsqu on renforce les côtés (notion de contrefort) L acquisition et la structuration des connaissances A la fin de chaque manipulation, le professeur fait une synthèse des compte-rendu des manipulations et structure les connaissances sur le cahier ou le classeur (voir fiche suivante «Production attendue des élèves»). La mobilisation des connaissances Il est possible de prolonger l activité en proposant aux élèves de faire des recherches sur Internet sur l origine des bâtiments et ouvrages à arcs à partir des informations suivantes : - Les arts et métiers : www.arts-et-metiers.fr - Site d architecture : fr.structurae.de Page 7
Production attendue des élèves (Trace écrite dans le cahier ou le classeur) Existe-t il différents types d ouverture dans un bâtiment ou un ouvrage? Observation Pour laisser passer un individu (un habitat) ou un objet (véhicule) dans une construction il est nécessaire de créer une ouverture. Un type d ouverture dans une habitation (linteau) Un type d ouverture dans un ouvrage d art (arc) Dessin ou photo ouverture avec arc pont Conclusion Dans une construction il existe principalement deux types d ouverture : - les ouvertures avec un linteau : - les ouvertures avec un arc. Un linteau est une poutre située au dessus d une ouverture (porte, fenêtre, etc.). Une arche est constituée de différents blocs de formes différentes (voussoirs, contre voussoirs, clé de voûte et briques). Comment réaliser une arche dans un habitat ou un ouvrage? Manipulation 1 Compte-rendu de la manipulation Il est difficile de construire une arche car chaque bloc d une arche est en appuie sur un autre. Il suffit d enlever un bloc pour que l arche s effondre. Le dernier bloc posé s appelle la clé car c est lui qui verrouille la structure. Conclusion Tant que la clé n est pas posée l arche ne tient pas. C est pourquoi lors de la construction d une ouverture en forme d arc il est nécessaire de soutenir les blocs à l aide d un gabarit que l on peut enlever lorsque la clé est posée. Manipulation 2 Compte-rendu de la manipulation Le gabarit permet de construire plus facilement l arche. Conclusion Lorsque tous les blocs de l arc sont posés on peut enlever le gabarit. Page 8
Problème : Comment augmenter la rigidité d un arc dans une construction? Manipulation 3 Compte-rendu de la manipulation Lorsqu on appuie sur le haut de l arche les côtés s écartent et finissent par s effondrer. Conclusion Il faut renforces les côtés pour qu ils résistent à la poussée horizontale de l arche. Manipulation 4 Compte-rendu de la manipulation Plus on renforce les appuis latéraux, plus l arche supporte un poids important. Il est plus solide. Exemple de croquis réalisé par des élèves de 5e Conclusion Pour augmenter la solidité de l arche il faut renforcer les côtés soit par des murs lourds ou en prenant appui sur des ouvrages latéraux solides (contreforts ; relief du terrain, etc.). Page 9
Fiche élève Observation Travail à faire : Observer les deux photographies. Un type d ouverture dans une habitation (linteau) Dessin ou photo ouverture avec linteau Un type d ouverture dans une habitation (arc) Dessin ou photo ouverture avec arc Pour chaque type d ouverture préciser : - sa forme ; - le principe technique qui permet de soutenir le mur. - les matériaux utilisés. Reporter sur chaque dessin les mots suivants : linteau, voussoir, contre voussoirs, clé de voûte, portée. - Manipulation 1 Vous disposez de l ensemble des blocs de l arche et d un socle. En vous aidant de l extrait de la fiche de montage ci-dessous, assembler l arche en pierre à l aide du socle. Étape Étape Expliquer comment l arche tient. Chercher un moyen pour monter rapidement et avec précision une arche. Page 10
- Manipulation 2 Vous disposez de l ensemble du banc d essai BE Arche (socle, gabarit, voussoirs, contre-voussoirs, briques). En vous aidant de l extrait de la fiche de montage ci-dessous, assembler l arche en pierre à l aide du gabarit. Étape 4 Étape 5 Image : mise en plan12.jpg Image : mise en plan5.jpg Préciser le rôle de la dernière pièce (appelé clé de voûte) dans le montage de l arche. Préciser l intérêt d utiliser un gabarit pour monter une arche. - Manipulation 3 Travail à faire : Appuyer sur su le haut de l arche Schéma 1 (à dessiner) Que constatez-vous par rapport à la solidité de l arche? - Manipulation 4 Appuyer sur la clé de voûte et bloquer avec les mains les côtés. Schéma 2 (à dessiner) Que constatez-vous par rapport à la solidité de l arche? Rechercher une solution pour renforcer la solidité de la structure de l arche. Représenter sous la forme d un croquis votre solution. Page 11
Document(s) ressource(s) 1 - Fiche de montage de l arche Étape 1 Étape 2 Étape 3 Étape 4 Étape 5 Étape 6 Étape 7 Étape 8 Page 12
2 - Dessin à découper pour l activité 1 Manipulation 2 Empilement Empilement avec entrecroisement Empilement Empilement avec entrecroisement Empilement Empilement avec entrecroisement Empilement Empilement avec entrecroisement Page 13