programmation_G_Sand - Centre d`Appui aux Pratiques d

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
1
Phase de la démarche
Motivation
Question d'intérêt –
situation problème
Déroulement
Trace Ecrite
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.
2
Investigation
Acquisition et
structuration
Formulation d'un
questionnement clair
Comment fabriquer un objet roulant ?
Ecrire la question
Recherche d'hypothèse
Retour sur la question posée
représentation des élèves : dessin et schéma des véhicules
par groupe de 2
Dessin légendé avec quelques mots (CE1-CE2)
Protocole
d'expérimentation
Expérimentation en petits groupes
Avec le matériel rapporté
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….)
Rédaction des résultats
conclusion
Résultats des expériences
Noter si cela a fonctionné ou non, mesurer la distance avec
un mètre.
Présentation des résultats
– mise en commun
Trier les montages qui ont fonctionné et ceux qui n’ont pas
fonctionné,
Prendre les photos des prototypes qui ont fonctionné et
ceux qui n’ont pas fonctionné.
Conclusion collective de la Faire une conclusion commune avec les élèves et la noter.
séance
Synthèse écrite
Nous avons essayé de mettre en mouvement nos
véhicules, pour certains groupes cela a fonctionné et
pour d’autres non.
3
4
Motivation
Formulation d'un
questionnement clair
Comment expliquer que certains prototypes ont fonctionné et Ecrire la question
d’autres non ?
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.
expérimentation
Protocole
d’expérimentation
Amélioration des prototypes en fonction des paramètres mis
en évidence précédemment.
Acquisition et
structuration
Conclusion collective de la Confirmer l’importance des paramètres.
séance
Donner le vocabulaire dans la conclusion commune.
Synthèse écrite
Validation d’un seul modèle pour la classe (pour les petits)
A3 avec les 6 images et projection de cet A3
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
6
Investigation
Structuration
Mise en commun des différentes solutions
Schématisation (avec liste du matériel choisi)
Expérience/test
Réalisation selon le schéma produit
Un schéma légendé par équipe
Vocabulaire : engrenage, transmission, courroie
Faire attention pour les groupes dont le mobile ne fonctionne
pas : faire expliciter les difficultés rencontrées avant de
poursuivre.
Structuration
7
Investigation
Schématisation
Expérience/test
Noter les solutions qui marches et les problèmes
rencontrés (par groupe)
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 ».