PROBLÉMATIQUE EN SCIENCE ET TECHNOLOGIE AU PRIMAIRE Auteur Jean-Denis Fournier, enseignant Commission scolaire de Laval TITRE : LA LUMIÈRE THÈME : L ÉNERGIE CYCLE VISÉ : 3 E CYCLE DURÉE : 5 HEURES (ENVIRON) RÉSUMÉ DE LA PROBLÉMATIQUE Cette problématique permet aux élèves de se familiariser avec quelques notions sur l électricité. MATÉRIEL POUR L ENSEMBLE DE LA PROBLÉMATIQUE Activité fonctionnelle 1 Texte portant sur le complexe LA GRANDE, ou tout autre complexe hydroélectrique Carte géographique pour situer les complexes Activité fonctionnelle 2 Texte de l histoire du lever de Tom ( annexe A) Catalogues Cartons Activité fonctionnelle 3 Des fils électriques et une pince crocodile Feutrine Un citron, un pamplemousse, une orange, du vinaigre, un pot, des morceaux de papier buvard, quelques morceaux de cuivre, quelques morceaux d acier. Des écouteurs de baladeur, quelques ampoules de 1,5 V et un socle dans lequel placer l ampoule (pour pouvoir la brancher plus facilement). Voltmètre (pour faible voltage) Lunettes de sécurité et sarrau 1
Problème Supports d ampoule et ampoules Batteries et supports à batteries Fils électriques avec pinces (type crocodile) Activités de structuration Lampes fabriquées par les élèves. PISTES D INTÉGRATION SUGGÉRÉES Discipline : Français Compétences disciplinaires : Communiquer oralement Savoirs essentiels : Présenter oralement les résultats de sa démarche Moyens : Plénière 2
COMPÉTENCES EN SCIENCE ET TECHNOLOGIE Compétence 1 oposer des explications ou des solutions à des problèmes d ordre scientifique ou technologique. Composantes de la compétence : Identifier un problème ou cerner une problématique. Recourir à des stratégies d exploration variées. Évaluer sa démarche. Compétence 2 Mettre à profit les outils, objets et procédés de la science et de la technologie. Composantes de la compétence : S approprier les rôles et fonctions des outils, techniques, instruments et procédés de la science et de la technologie. Relier divers outils, objets ou procédés technologiques à leurs contextes et à leurs usages. Évaluer l impact de divers outils, instruments ou procédés. Compétence 3 Communiquer à l aide des langages utilisés en science et en technologie. Composantes de la compétence : S approprier des éléments du langage courant liés à la science et à la technologie. Utiliser des éléments du langage courant et du langage symbolique liés à la science et à la technologie. Exploiter les langages courant et symbolique pour formuler une question, expliquer un point de vue ou donner une explication. REPÈRES CULTURELS L énergie électrique : Elle fait partie de notre vie et nous l utilisons plusieurs fois par jour. Alessandro Volta, inventeur de la pile électrique (voir page 14). SAVOIRS ESSENTIELS L univers matériel Énergie : La transmission de l énergie Circuits électriques simples Techniques et instrumentation : Fabrication 3
STRATÉGIES Stratégies d exploration Discerner des éléments pertinents à la résolution du problème. Émettre des hypothèses. Schématiser ou illustrer le problème. Stratégies de communication Recourir à des modes de communication variés pour proposer des explications ou des solutions (exposé). Échanger des informations. COMPÉTENCES TRANSVERSALES D'ordre intellectuel Exploiter l'information Résoudre des problèmes Exercer son jugement critique Mettre en oeuvre sa pensée créatrice D ordre personnel et social Structurer son identité Coopérer D'ordre méthodologique Se donner des méthodes de travail efficaces Exploiter les technologies de l'information et de la communication (TIC) De l ordre de la communication Communiquer de façon appropriée DOMAINES GÉNÉRAUX DE FORMATION Santé et bien-être Orientation et entrepreneuriat Environnement et consommation Médias Vivre-ensemble et citoyenneté Intention éducative Faire travailler les élèves en coopération. Axe de développement Engagement dans l action dans un esprit de coopération. 4
PISTES D ÉVALUATION DES APPRENTISSAGES DES ÉLÈVES MOYENS CRITÈRES Grilles d observation (Annexes B, C, D, E) Élaboration d explications pertinentes ou de solutions réalistes. Observation des schémas et des notes dans le cahier de science et technologie. Utilisation d une démarche appropriée. Utilisation appropriée d outils. Transmission correcte de l information de nature scientifique et technologique. 5
ACTIVITÉ FONCTIONNELLE PRÉPARATION BUT Familiariser les élèves avec la production et la transmission de l énergie. DESCRIPTION DES ACTIVITÉS Questionner les élèves sur les grandes richesses naturelles du Québec. Exemples : forêts, lacs et rivières, etc. Leur faire lire un texte sur la production d électricité dans les grands barrages du complexe LA GRANDE (voir Mémo Mag 5, Collection Mémo, dossier # 3 ou communiquer avec Hydro-Québec). Sur une carte géographique, vérifier d où provient l électricité et où sont situés les complexes de LA GRANDE. 6
ACTIVITÉ FONCTIONNELLE PRÉPARATION BUT Faire réaliser aux élèves l importance de l électricité dans notre vie quotidienne. DESCRIPTION DES ACTIVITÉS ACTIVITÉ B 1. Demander aux élèves de noter les éléments qui utilisent une source d énergie, pendant que vous leur racontez le «lever de Tom» qui se lève pour aller à l école (petite histoire en annexe A). 2. À l aide d images qu ils découpent dans des catalogues, les élèves doivent regrouper les éléments qui utilisent une même source d énergie : électricité, vent, feu, gaz, soleil, charbon, pétrole. 3. Les amener à faire le constat que l énergie électrique est grandement utilisée. 7
ACTIVITÉ FONCTIONNELLE PRÉPARATION BUT Découvrir, par la manipulation, les circuits électriques simples. DESCRIPTION DES ACTIVITÉS ACTIVITÉ C 1. Présenter aux élèves l histoire de Allessandro Volta qui a découvert le premier générateur électrique. 2. Demander aux élèves comment peut-on produire du courant électrique? Leur remettre le matériel. Quelques solutions ou approches possibles Tremper un morceau de cuivre et un morceau d acier dans du vinaigre, de telle sorte, qu une partie de ces deux morceaux de métal se trouve hors de la solution. Brancher un fil électrique à chacun des morceaux de métal. À l aide des fils, toucher les deux bornes d écouteurs de baladeur. (Les deux bornes des écouteurs sont situées dans la prise des écouteurs et très près l une de l autre : une des bornes est à l extrémité de la prise, l autre est sur le côté). On devrait entendre un petit crépitement quand les fils touchent les bornes. Planter un morceau de cuivre et un morceau d acier dans un citron, une orange ou un pamplemousse, de telle sorte, qu une partie de ces deux morceaux de métal se trouve hors du fruit. Brancher un fil électrique à chacun des morceaux de métal. À l aide des fils, toucher les deux bornes d écouteurs de baladeur. On devrait entendre un petit crépitement quand les fils touchent les bornes. 8
Concept scientifique Une pile est constituée de deux (ou plusieurs) morceaux de deux métaux différents qui baignent dans une solution acide. Des réactions chimiques entre les métaux et l acide entraînent un déplacement d ions (atomes électriquement chargés) dans la solution et un déplacement d électrons dans le circuit qui relie les morceaux de métal. SÉCURITÉ Il est fortement recommandé de porter des lunettes de sécurité et un sarrau, lors de la manipulation de l acide. 9
RÔLE DE L ENSEIGNANTE OU DE L ENSEIGNANT À CETTE ÉTAPE RÔLE DE L ÉLÈVE À CETTE ÉTAPE Vérifie si l élève possède les préalables nécessaires pour accomplir la tâche et active les savoirs requis pour celle-ci. Prend connaissance du contexte d apprentissage et y réagit. Organise avec l élève un environnement favorable à l apprentissage et l aide à planifier son travail. Prend conscience de ce qu il sait déjà par rapport à la tâche proposée. Fait un retour à la fin de l expérimentation. 10
PROBLÈME RÉALISATION QUESTION Comment peut-on fabriquer un lampe de lecture à l aide d une ampoule, d une pile et de fils? CONCEPTIONS FRÉQUENTES CHEZ LES ÉLÈVES Certains élèves croient qu il n y a qu un seul fil électrique qui alimente nos appareils électriques de notre vie courante, alors qu en fait, il y en a toujours au moins deux dans la gaine du cordon électrique. DESCRIPTION DES ACTIVITÉS 1. Vérifier les conceptions des enfants en leur demandant de dessiner différents circuits électriques dans leur guide (pages 6 et 7) qu ils pourront ensuite construire. 2. Les enfants se procurent le matériel nécessaire et fabriquent leur circuit. 3. Ils prennent en note les circuits qui fonctionnent et tentent d expliquer pourquoi, il y en a qui ne fonctionnent pas. QUELQUES SOLUTIONS OU APPROCHES POSSIBLES Placer l ampoule debout sur la borne positive de la pile. Relier le côté de l ampoule à la borne négative de la pile. Placer l ampoule debout sur la borne négative de la pile. Relier le côté de l ampoule à la borne positive de la pile. Coucher l ampoule sur la borne positive de la pile. Relier le petit bout de l ampoule à la borne négative de la pile. Coucher l ampoule sur la borne négative de la pile. Relier le petit de l ampoule à la borne positive de la pile. À l aide d un fil, relier la borne positive de la pile au côté de l ampoule et à l aide d un autre fil, relier la borne négative de la pile au petit bout de l ampoule. À l aide d un fil, relier la borne négative de la pile au côté de l ampoule et à l aide d un autre fil, relier la borne positive de la pile au petit bout de l ampoule. 11
CONCEPTS SCIENTIFIQUES L ampoule peut s allumer pourvu que chacune de ses bornes ( le bout et le côté de l ampoule) soit reliée à une des deux bornes de la pile (chaque extrémité métallique d une pile cylindrique de 1,5 V est une borne). Pour qu un circuit électrique fonctionne, il doit être fermé, ce qui signifie que toutes les composantes du circuit doivent être bien branchées et que, s il y a un interrupteur, il doit être en position qui laisse passer le courant électrique. On peut volontairement interrompre le courant électrique en débranchant un des fils, en changeant la position d un interrupteur, ou en causant un court-circuit. POUR EN SAVOIR PLUS Dans un circuit en série, le courant passe dans la première ampoule avant de passer dans la deuxième et ainsi de suite, jusqu à ce qu il soit passé dans toutes les ampoules et revenu à la pile. Si le courant ne peut passer dans une des ampoules, il ne peut passer dans aucune des autres ampoules. Dans un circuit en parallèle, le courant passe de façon indépendante dans chacune des ampoules et revient à la pile. Si le courant ne peut passer dans une des ampoules, il peut quand même passer dans les autres. SÉCURITÉ Éloignez-vous des sources d eau durant l expérimentation. Évitez tout contact entre les deux fils branchés aux pôles de la batterie. 12
RÔLE DE L ENSEIGNANTE OU DE L ENSEIGNANT À CETTE ÉTAPE RÔLE DE L ÉLÈVE À CETTE ÉTAPE Questionne l élève sur les stratégies qu il utilise et s assure avec lui, qu elles sont efficaces et économiques. Accomplit la tâche en gérant son travail et son environnement en faisant appel aux ressources à sa disposition. Amène l élève à verbaliser ses acquis et ses difficultés et lui apporte le soutien et l enrichissement appropriés. Prend conscience des apprentissages, fait et verbalise ses difficultés et ses besoins. 13
ACTIVITÉS DE STRUCTURATION INTÉGRATION BUT Amener les élèves à faire des liens entre leurs nouveaux savoirs et leurs savoirs antérieurs. Les inviter à partager leurs découvertes, suite aux expérimentations et à nommer les nouveaux concepts. DESCRIPTION DES ACTIVITÉS L enseignante ou l enseignant invite les élèves à présenter les circuits électriques construits et à expliquer le fonctionnement. RÔLE DE L ENSEIGNANTE OU DE L ENSEIGNANT À CETTE ÉTAPE RÔLE DE L ÉLÈVE À CETTE ÉTAPE Aide l élève à faire des liens entre ses nouveaux savoirs et ses savoirs antérieurs en le soutenant dans sa réflexion sur ses démarches, ses stratégies d apprentissage, ses habiletés, ses capacités, ses compétences, etc. Précise les raisons de ses réussites ou de ses difficultés qui dépendent de lui seul et évalue son degré de satisfaction. Amène l élève à verbaliser ses acquis et ses difficultés et lui apporte le soutien et l enrichissement appropriés. Organise les savoirs nouvellement acquis et ses savoirs antérieurs. 14
ENRICHISSEMENT ET RETOUR ENRICHISSEMENT POSSIBLE Brancher des ampoules ou des signaux sonores en série ou en parallèle, avec ou sans interrupteur. Exploiter diverses solutions pour faire allumer une ampoule avec un fil, deux fils, etc. Schématiser les circuits électriques possibles. Fabriquer les différents circuits. Dessiner dans leur guide de science, les différents circuits qui fonctionnent. Expliquer pourquoi certains circuits ne fonctionnent pas. Projection d un film sur l histoire ou sur les concepts en électricité. Création d un mire-œufs. Création d une lampe double en parallèle pour réchauffer des poussins. Création d un village de Noël ou d un château d Halloween. Visite d un musée de sciences. RETOUR SUR VOTRE EXPÉRIMENTATION C est une activité très intéressante pour ce groupe d âge. Les étapes de cette problématique sont faciles à suivre et peuvent être échelonnées sur quelques semaines. 15
BIBLIOGRAPHIE LIVRES, VIDÉOS, CD-ROMS, AUTRES Marcel Thouin, Problèmes de sciences et de technologie, Éditions MultiMondes, 1999, p. 235 à 269 Mémo Mag 5, Collection Mémo, dossier 3 L électricité et la sécurité par Hydro-Québec Daniel N. Niesing, Discovery kits, «L électricité» Élie Lévy, Dictionnaire de la physique, PUF, 1988 LEXIQUE Allessandro Volta: Il inventa le premier générateur hydroélectrique formé par la chaîne : zinc, solution d acide sulfurique, cuivre. La pile de Volta n est plus guère utilisée, sauf en enseignement. Son importance historique est par contre considérable. C est en effet en réalisant un empilement alterné de disques de zinc et de cuivre séparés par des disques de feutres imbibés d une solution aqueuse d acide sulfurique (d où le nom pile) que Volta réalisa (vers 1800) le premier générateur de courant électrique continu. Son expérience avait commencé lorsqu il avait observé la contraction de cuisses de grenouilles qui se contractaient lorsque suspendues à un crochet de zinc et en contact avec une plaque de cuivre. Ampoule : Enveloppe de verre d une lampe électrique. Circuit électrique : Ensemble de fils électriques dans lesquels peuvent prendre naissance des courants électriques. Voltmètre : Instrument de mesure servant à déterminer par lecture directe la tension électrique entre deux points. 16