Les engrenages en grande section

Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
[Témoignage] - Dans le cadre de l'accompagnement de classes réalisé par des élèves de l'école polytechnique, quelques séances ont été menées en maternelle sur le thème des engrenages.
Copyright :
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Séance 1 : Les roues dentées

Matériel  :

  • 3 supports bleus
  • 3 roues dentées
  • 3 fixations blanches

Je laisse les enfants découvrir le matériel qui est à leur disposition.
Au bout de quelques minutes, certains enfants ont l'idée d'emboîter les roues par les dents. La plupart le font sur la table sans fixer les roues au support.

Beaucoup d'enfants s'amusent à superposer les roues ; ceux qui pensent à les aligner côte à côte sont moins nombreux. Au bout d'un quart d'heure, un ou deux enfants ont réalisé le montage que j'« attends » avec les trois roues.

C'est l'occasion d'arrêter la manipulation et de retourner discuter sur les bancs pour étudier les montages, et introduire le mot « engrenage ».

Que constatez-vous ?
Beaucoup d'enfants utilisent le verbe « rouler » : je remplace ce terme par « tourner ».
Les enfants qui s'expriment facilement arrivent à formuler que « toutes les roues tournent en même temps » (pour certains, il faut insister pour qu'ils utilisent le vocabulaire «roue » et non « fleur »).

Comment est-ce possible ? Qu'est-ce que ces roues ont de particulier ?
« Elles ont des pétales ! » Comme les élèves ne peuvent pas deviner ce vocabulaire, je leur dit que ça s'appelle des dents : ce sont des roues dentées. Ils arrivent alors à formuler que « les dents sont accrochées ».
Conclusion : « Quand on tourne une seule roue, toutes les roues tournent en même temps car leurs dents se touchent ».

Est-ce toutes les roues tournent dans le même sens ?
Au début, les enfants répondent « oui » ou « non » sans regarder. En leur demandant de bien observer, tout le monde arrive à voir que toutes les roues ne tournent pas dans le même sens.
Exercice à l'oral : regarder les roues les unes après les autres et dire si elles tournent « vers la porte ou vers la fenêtre ». Essayer d'imaginer dans quel sens tournerait une quatrième roue, une cinquième roue… puis vérification expérimentale. Les élèves comprennent ainsi que le sens de rotation des roues est alterné, même si je n'ai pas essayé de formuler cette règle avec les enfants.

Les enfants retournent à leur place et doivent tous construire l'engrenage qui vient d'être étudié. Une fois leur montage terminé, ils doivent le dessiner. Certains ne font pas bien attention à la position des dents : je leur fais vérifier « expérimentalement » que si les dents ne se touchent pas, le mouvement d'une roue n'induit pas le mouvement de la roue voisine. Ils doivent donc corriger leur dessin.

Remarques : L'utilisation des flèches s'est avérée difficile. Quelques élèves ont rapidement compris cette symbolisation, mais la plupart des élèves recopient les modèles de flèches que j'ai dessinés au tableau en dehors de leur dessin.
Cette symbolisation est donc à mon avis trop complexe pour le cycle 1. Le dessin des roues dentées a été l'occasion d'un exercice de graphisme quelques jours après la séance de sciences.

Le mot de la main à la pâte
Peut-être deux ou trois séances auraient-elles été nécessaires.

Séance 2 : Une roue couchée et une roue debout

Matériel  :

  • 3 supports bleus
  • 3 roues dentées
  • 2 fixations blanches
  • le matériel pour une petite colonne : la base rouge, la colonne jaune, 2 joints bleus et 1 grosse fixation rouge.

La séance commence par le rappel en classe entière de ce qui a été vu la fois précédente, notamment le rappel du vocabulaire « engrenages » et « roues dentées ». Nous reprenons également l'exercice sur le sens de rotation.
Les enfants découvrent immédiatement qu'ils ont du nouveau matériel à leur disposition et se mettent à chercher ce qu'ils peuvent en faire. J'ai été très surprise de constater que la plupart des élèves ont rapidement construit la « colonne » que j'attendais.

Au fur et à mesure que je passe dans les rangs, je demande aux élèves à quoi cette colonne peut servir. La plupart n'ont pas d'idée donc je formule ma question de manière à les guider : « A quoi te fait penser cette forme ? » (en montrant la fixation rouge). L'élève interrogé reconnaît facilement la forme de la fixation blanche. Nous concluons donc ensemble qu'il est possible d'accrocher une roue sur la colonne.

Après avoir fait le tour de la classe, je constate que plusieurs enfants ont construit de petits moulins mais qu'aucun n'a trouvé la possibilité de transmission perpendiculaire du mouvement. Je rappelle donc les enfants sur les bancs pour faire un bilan.
Je donne le nouveau vocabulaire : une « colonne », une roue « couchée » ou une roue « debout ». Nous observons les constructions du type « moulin ».

Comment faire pour que la roue debout tourne sans que je la touche ?
Ainsi guidés, quelques enfants ont l'idée du montage que j'attends, et le réalisent devant leurs camarades.

Pourquoi est-ce que quand je tourne la roue couchée, la roue debout tourne aussi ?
C'est l'occasion de réviser ce qui a été déjà vu : « Parce que les dents sont accrochées les une dans les autres ».(Le mot juste est « engrener ».)

Les enfants retournent à leur place et doivent tous essayer de construire cet engrenage.

Avant la fin de la séance, tous les enfants retournent sur les bancs et l'on examine leurs travaux. Une bonne moitié a réalisé le montage attendu, certains pensent même à mettre deux roues couchées. Pour les autres montages (roues qui ne se touchent pas, roues superposées,…), nous expliquons en classe entière pourquoi ces productions ne répondent pas à la consigne.

Remarque : La trace écrite est difficilement envisageable pour cette séance car le dessin en 3D est trop complexe à ce niveau.

Séance 3 : Une grande colonne et des roues debout

Matériel  :

  • 3 supports bleus
  • 6 ou 7 roues dentées
  • 1 ou 2 fixations blanches
  • le matériel pour une grande colonne : la base rouge, 7 ou 8 bouts de colonne jaunes ou verts, une dizaine de joints bleus et 3 ou 4 grosses fixations rouges.

Pour cette séance, les élèves sont autorisés à venir réclamer tout le matériel supplémentaire dont ils auraient besoin, à la seule condition qu'ils utilisent le bon vocabulaire pour formuler leur demande : une roue dentée « petite », « moyenne » ou « grande » (je n'accepte pas de donner un roue à une élève qui me demande encore une « fleur »…). Le terme « fixation » étant difficile, j'attends des élèves qu'ils me désignent la pièce dont ils ont besoin par sa couleur : blanche, bleue ou rouge.
Comme d'habitude, la séance commence par les rappels. Le terme « colonne » est systématiquement oublié, mais les enfants se souviennent qu'il peut y avoir des roues « couchées » ou « debout ».

Je veux que vous me construisiez un engrenage dont toutes les roues tournent en même temps, avec des roues couchées, et une grande colonne avec plusieurs roues debout.
Une fois que chacun a produit une grande construction, nous les étudions ensemble au tableau. Beaucoup d'élèves n'ont pas exactement répondu à la consigne : grande colonne sans aucune roue ou avec une seule roue, colonne sur laquelle les roues ne se touchent pas, absence de roue couchée…

Finalement, tous les enfants qui s'étaient « trompés » doivent retourner à leur place pour rectifier leur construction. Ceux qui ont réalisé l'assemblage attendu (minoritaires) peuvent demander du matériel supplémentaire pour surélever leur colonne.

Remarque : Cette séance est plus difficile que les précédentes car elle exige le respect d'une consigne bien précise. Le temps nécessaire à la réalisation de l'engrenage demandé est très variable d'un enfant à l'autre.

Séance 4 : Des roues debout qui tournent des deux côtés de la colonne

Matériel  :
Dans un premier temps :

  • 3 supports bleus
  • 4 roues dentées (toutes sauf les bleu-clair)
  • 1 ou 2 fixations blanches
  • le matériel pour une grande colonne : la base rouge, 7 ou 8 bouts de colonne jaunes ou verts, une dizaine de joints bleus et 3 ou 4 grosses fixations rouges.

Il faut d'abord s'assurer que la séance précédente est bien assimilée, ce qui est loin d'être le cas pour tout le monde. Le plus simple est donc de s'adapter au rythme de chaque enfant pour éviter que les plus rapides s'ennuient tant que les autres ne sont pas prêts à continuer.
Je vais voir un par un les élèves lorsqu'ils ont réussi à refaire le montage de la séance 3.

Pourquoi n'as-tu pas mis de roues de l'autre côté de ta colonne ?
Les enfants timides ne savent pas quoi répondre et ont peur de s'être trompés. Je dois donc les rassurer et leur dire que ce qu'ils ont fait est très bien mais que je voudrais maintenant faire quelque chose de nouveau. Les plus à l'aise essayent d'expliquer qu'une roue de l'autre côté ne tournerait pas.

J'accroche une roue de l'autre côté (en faisant bien attention à sa taille pour éviter un blocage par la suite). Est-ce que cette roue tourne en même temps que les autres ? Pourquoi ?
Nous expliquons que les dents ne se touchent pas.

Je te donne du matériel supplémentaire (une petite roue bleue et une fixation jaune) : je veux que tu essayes de faire tourner les roues des deux côtés de la colonne.
Généralement, les élèves qui en sont déjà arrivé là sont ceux qui se débrouillent bien donc ils finissent par trouver la solution (en regardant éventuellement le travail des voisins).

Remarque : Certains élèves (en difficulté ou refusant de respecter les consignes) n'ont pas eu le temps d'aborder le nouveau problème. Au bout de 4 séances, l'aisance avec les engrenages commence à être très hétérogène.

Séance 5 : Construire un engrenage avec plusieurs colonnes

Matériel  :

  • 3 supports bleus
  • 6 ou 7 roues dentées
  • 1 ou 2 fixations blanches
  • le matériel pour deux colonnes : 2 bases rouges, 12 ou 13 bouts de colonne jaunes ou verts, une quinzaine de joints bleus et 6 grosses fixations rouges.

La séance commence par un petit rappel collectif de ce qui a été fait la fois précédente. Les enfants se souviennent bien de la distinction couchée/debout.

La dernière fois, on avait construit combien de colonnes ?
Les réponses sont très variées et il apparaît que la notion de colonne n'est pas vraiment comprise : il y a confusion entre la colonne entière et les segments de colonne jaunes. Du coup, beaucoup d'enfants croient avoir construit trois colonnes à la séance précédente et il faut donc leur expliquer qu'il s'agissait en fait d'une seule colonne.

Aujourd'hui, nous allons faire quelque chose de plus compliqué. Je veux que vous me construisiez un engrenage avec deux colonnes. Pour ça, vous allez d'abord construire deux colonnes comme d'habitude puis vous allez essayer de les relier.
Plusieurs enfants pensent à relier les colonnes par une roue couchée. Un groupe réussit, imagine même un montage auquel je n'avais pas pensé, avec les roues verticales des deux colonnes qui se touchent directement. Par contre, c'est moi qui leur donne l'idée d'utiliser les bouts de colonne à l'horizontale. Certains élèves se souviennent de la séance précédente et me demande la petite fixation jaune nécessaire pour que les roues tournent des deux côtés de la colonne.

Remarque : Contrairement aux séances précédentes, cette séance a mieux fonctionné, peut-être parce que les enfants étaient par groupes de deux, et non seuls.
Les enfants seuls ont eu tendance à refaire ce qu'ils connaissaient déjà et n'ont pas bien tenu compte de la consigne.
Au contraire, lorsque les enfants étaient par deux, ils ont pu chacun construire une colonne comme à leur habitude puis travailler à deux pour relier leurs colonnes. Les élèves les plus rapides ont vite compris le principe et ont regroupé leurs productions, ce qui a donné un engrenage impressionnant à 5 ou 6 colonnes !

Le mot de la main à la pâte
L'accompagnatrice a envisagé une progression dans la réalisation des engrenages, et la difficulté qu'elle rencontre est d'obtenir des enfants « le montage attendu », à chacune des séances. Peut-être certains enfants ont-ils encore besoin de séances de familiarisation avec ce matériel, pour pouvoir s'investir dans un projet de réalisation plus contraint, et le mener à bien.

Une observation du fonctionnement d'un batteur à manivelle, par exemple, pourrait compléter cette séquence, pour que l'étude des engrenages soit reliée à des objets de la vie courante.