Les chemins de l'eau

4 - Modélisation d’une station d’épuration à l’aide d’une maquette
Auteurs : Michel Lardé(plus d'infos)
Résumé :
Cette séquence permet aux élèves de s'approprier les étapes de l'assainissement de l'eau et le vocabulaire associé, de reconstruire un schéma d'ensemble des chemins de l'eau en rediscutant leurs idées premières, de se poser des questions sur l’usage de l'eau si la visite a été centrée sur le traitement en vue de rejet dans la nature. Les élèves devront connaître les différences entre eau potable, eau usée, eau assainie, ainsi que les exigences de qualité de l'eau.
Publication : 30 Mai 2013

En fonction de ses élèves et du temps disponible, l'enseignant peut choisir :

  • de faire construire la maquette par les élèves après une séance de mise en commun des idées prenant en compte ce qui a été compris des étapes successives de traitement des eaux usées. La modélisation (liens à construire entre la maquette et la station réelle) peut alors jouer le rôle d'évaluation. C'est ce que nous allons décrire ici.
  • de montrer une maquette qu'il aura fabriquée (voir l'annexe), que les élèves devront analyser en référence à ce qu'ils ont compris du fonctionnement de la station d’épuration, c’est-à-dire repérer les étapes successives, observer ce qui en résulte, répondre aux questions sur le principe de fonctionnement de chacune des phases et remplir un tableau récapitulatif en lien avec la maquette et le schéma de la station d'épuration qu'ils ont visitée. Les temps d'attente des différentes étapes laissent aux élèves le temps de faire leur propre schéma.

Réalisations de maquettes en classe par des élèves de 6e

En technologie, l'activité de fabrication sous-entend souvent la réalisation d’un objet technique ; ici, ce sera une maquette rendant compte du fonctionnement de la station d'épuration. La réalisation de cette maquette permettra, d’une part, le repérage des solutions techniques d'épuration de l'eau retenues et, d’autre part, le test de leur efficacité.

La réalisation de la maquette est en outre un bon moyen pour faire s'exprimer les élèves, les amener à traduire leurs réflexions et leurs idées. C'est également le cas lors de la réalisation d'un dessin ou d'un objet en trois dimensions utilisant des matériaux courants en technologie. Les élèves rentrent dans la réflexion par la réalisation du schéma ou de l'objet et sont conduits ensuite à analyser leur production et à enrichir leur vocabulaire en disposant d'un référent explicite. 

Organisation de la séquence

Cette séquence a été testée avec une classe (16 élèves) de 6e du collège Aimé Césaire dans le 18e arrondissement de Paris (dispositif ÉCLAIR). Cette classe hétérogène, d’un niveau très moyen, expérimente l’enseignement intégré de science et technologie (EIST).

La séquence a comporté deux temps. Au cours d’une première activité, les élèves en groupes ont recherché et retenu un certain nombre de solutions techniques pour épurer l'eau sale. Au cours de l’activité suivante, ils devaient traduire leurs réflexions, soit par une affiche, soit par une maquette.

La classe a été divisée en quatre groupes : un groupe « Maquette » et trois groupes « Dessin ».  Les élèves du groupe « Maquette » doivent mettre en œuvre leur choix de solutions techniques sur une maquette qui corresponde le mieux possible à leurs idées. Les consignes et documents qui permettent de les guider durant cette activité sont fournis sous forme d'un document ou fiche de travail.

Les élèves des groupes « Dessin » doivent utiliser croquis et/ou dessins pour exprimer et traduire leurs réflexions sur les solutions techniques. Chaque groupe dispose d’une fiche de travail avec les consignes. Ce document précise par exemple que seule la forme de l’objet et les annotations sont importantes (pas de couleurs, de décorations, etc.). Dans un premier temps, chaque élève doit réaliser son propre croquis en apportant les solutions qu’il imagine, puis après comparaison des schémas et débat au sein du groupe, les élèves choisissent le croquis le plus représentatif et le complètent éventuellement. Après validation par le professeur, ils vont devoir réaliser collectivement un dessin à partir du croquis choisi, en tenant compte des consignes suivantes :

  • représenter sur une feuille A3 le dessin en vue la plus représentative et ajouter les annotations qui leur semblent importantes,
  • représenter sur une autre feuille A3 le même dessin en 3 dimensions,
  • centrer au mieux le dessin dans la feuille.

Et plus particulièrement :

  • veiller au respect des proportions (après interprétation et avec simplification éventuelle des formes),
  • s’assurer de la qualité du matériel utilisé pour la précision des tracés (crayon taillé, gomme propre, etc.),
  • indiquer un titre, des légendes et si possible une échelle,
  • faire en sorte que le dessin soit complet, exact et bien interprété.

Le dessin doit permettre de communiquer aux autres élèves, voire au professeur, les choix de solutions techniques retenues.

Note pédagogique :
Le dessin scientifique obéit à des règles imposées et il est important que les élèves les connaissent dès la 6e. Un moment d'échange est souvent nécessaire afin d'attirer l'attention sur des détails qui n'ont pas été remarqués. Le professeur doit définir les règles du jeu et préciser les attentes (ce que le dessin doit montrer).

Réalisation des maquettes

Pour commencer, le professeur demande aux élèves de définir ce qu'est une maquette et quelles sont ses fonctions. La majorité d'entre eux pensent qu'une maquette est une représentation réduite d'un objet tel qu'une voiture, un complexe immobilier, etc. Le professeur va leur indiquer, en s'appuyant sur des exemples concrets qu'il aura prévu de leur montrer, qu'une maquette n'est pas forcément un objet ne comportant qu'un changement d'échelle. Il pourra alors recentrer le travail demandé en mettant en valeur l'aspect fonctionnel de la maquette à construire. Celle-ci doit être un moyen de présenter le fonctionnement d'un objet technique visant à épurer l'eau sale. L'enseignant pourra élargir le problème de la station d'épuration à celui de l'épuration de l'eau d'une piscine par exemple, dont le processus est partiellement similaire si on laisse de côté l'exigence de pureté plus grande de l'eau d'une piscine.

Les matériaux utilisés sont faciles à travailler avec les moyens disponibles au collège et sont par ailleurs non toxiques, recyclables et de bas coût.

Les élèves disposent du matériel suivant :

  • des feuilles de carton (50 cm x 60 cm) de couleur blanche,
  • du matériel de traçage (règle, équerre), de découpage (ciseaux) et de collage (colle et bande adhésive),
  • de récipients plastiques divers, du tissu, des grilles plastiques, des tubes souples de silicone, etc.

 

 


Utilisation de la maquette

Le mélange de départ qui simule une eau usée est un mélange d'eau avec des débris domestiques, organiques et produits alimentaires.

Les élèves peuvent s'exprimer sur ce que représente chaque élément de la maquette par rapport à la station d'épuration visitée (ou présentée sur le diaporama), ce qui est introduit et ce qui est recueilli pour chaque entrée/sortie que comporte la maquette et les raisons pour lesquelles le recueil se fait en haut ou en bas.

Cette activité permet aux élèves de réaliser le traitement d’une eau « sale » en respectant les modes opératoires observés lors de la visite à la station d’épuration et de mieux se rendre compte du choix des solutions techniques et de leur ordre chronologique.

Il est important de faire formuler les différences entre la maquette, le schéma  et la réalité :

  • Sur la maquette (et sur le schéma), les étapes sont considérées comme se succédant dans le temps : la suivante commence quand la précédente est terminée (mais en réalité, la station d’épuration fonctionne en régime continu),
  • Sur la maquette (et sur le schéma), les différents lieux où passe successivement l'eau sont représentés l'un au-dessus de l'autre (en réalité, dans la station d’épuration, ces lieux sont tous au niveau du sol, peut-être un peu décalés en hauteur les uns par rapport aux autres pour profiter de la gravitation pour faire circuler l'eau),
  • La grille unique de la maquette (représentée sur le dessin par un pointillé) figure l'ensemble des différentes grilles présentes dans la réalité (avec des trous de taille décroissante) qui sont disposées sur le parcours de l'eau sale avant arrivée dans le premier bassin. 

Enfin, il faudra compléter le schéma avec les différentes fonctions de service et solutions techniques :

FONCTION DE SERVICE

SOLUTION TECHNIQUE MISE ŒUVRE

RÉSULTAT DE LA SOLUTION TECHNIQUE

Éliminer les gros déchets qui flottent ou qui ont coulé.

Tamiser avec une grille (dégrillage).

Gros déchets solides retenus par la grille, mais eau encore trouble.

Éliminer les déchets  en grains.

Décanter : les sables et les graviers sont éliminés par gravitation, ainsi que les particules se déposant au fond du bassin.

L'eau est plus claire au-dessus du dépôt de décantation, mais comporte une couche liquide grasse surnageante.

Éliminer les graisses.

Dégraissage : recueillir l'eau sous la couche de graisse.

Les graisses restantes  en surface sont ensuite éliminées par le haut ; l'eau est encore trouble.

Éliminer les déchets en suspension.

Décanter : les particules les plus lourdes coulent et se déposent au fond du bassin.

L'eau plus claire  est recueillie au-dessus du dépôt. Celui-ci est éliminé par le fond.

Éliminer les déchets biologiques invisibles, mais dangereux.

Traiter biologiquement par introduction de bactéries.

Les matières organiques sont détruites par les bactéries contenues dans l’eau. L'eau est moins nocive.

Éliminer les résidus des actions antérieures.

Clarifier : les boues et les résidus secondaires sont séparés de l’eau épurée par une dernière décantation.

Cette opération rend l’eau limpide.

Réoxygéner l'eau.

Oxygénation : on envoie un flux de dioxygène sous pression.

L'eau devient  aussi saine que celle de la rivière.