La boîte du pourquoi

La boîte du pourquoi


Bloc 2 : Expliquer A partir du Cycle 3 1 activité
  • Objectif : Face à un phénomène qui échappe à l’observation directe, apprendre à formuler des hypothèses pour expliquer son comportement et mettre en place des expériences pour les tester. Réfléchir aux étapes de la démarche scientifique, en en faisant l’expérience.
  • Enseignements / Disciplines engagé(e)s : Questionner le monde / Sciences et technologie
  • Compétences associées : Pratiquer, avec l’aide des professeurs, quelques moments d’une démarche d’investigation – Utiliser des observations précises pour en tirer des interprétations.

Activité : Mener l’enquête

Objectif général : Apprendre à mener une investigation sur un phénomène mystérieux (qui échappe à l’observation directe), réfléchir à la démarche scientifique. En mettre en place les différentes étapes, de l’observation à l’expérimentation, puis à la comparaison entre données et hypothèses.
Déroulé et modalités : Les élèves sont mis au défi de trouver le plus d’informations possible sur les objets contenus dans une boîte, sans l’ouvrir : ils mènent une première recherche en manipulant la boîte, en la sentant, en la secouant… et émettent des hypothèses à partir des observations faites (phase 1). Ils mettent alors en place des expériences permettant de tester les hypothèses proposées (phase 2), puis partagent et comparent leurs résultats (phase 3).
Durée : 3 h distribuées sur au moins 3 séances
Matériel : Pour chaque groupe d’élèves :
• 2 boîtes en carton, pas trop grandes
• Des objets de petite taille à cacher dans les boîtes (voir plus bas)
• Des instruments de mesure (mètres, balances…) et d’autres instruments permettant de révéler des caractéristiques spécifiques du contenu, comme des boussoles, des aimants,…
• Des objets variés, dont certains identiques à ceux contenus dans les boîtes, à mettre à disposition sur une table pour les expériences
• Un exemplaire de la Fiche 1
Message à emporter : On peut mieux comprendre les objets qui nous entourent en les observant, mais ce n’est parfois pas suffisant : tout n’est pas immédiatement visible et observable. On peut alors en savoir plus sur l’objet grâce à des expériences. Pour qu’une expérience nous donne des informations fiables, il faut que le protocole utilisé soit rigoureux : il faut extraire tout ce qu’on peut de l’observation, formuler des hypothèses qu’on peut tester, les tester les unes après les autres, en ne faisant varier qu’un seul paramètre à la fois, puis analyser les résultats et les combiner ensemble. On obtient une « idée » de l’objet recherché qui devrait s’approcher de la réalité, même si des incertitudes perdurent.

Notes préliminaires 
• L’activité se prête éventuellement à être utilisée comme introduction à la démarche d’investigation, et peut permettre d’identifier et de formaliser de façon explicite les « étapes » principales. Elle peut ainsi aider à construire une « fiche méthode » à conserver en classe et à remobiliser à l’occasion.
• à partir du déroulé proposé, l’enseignant pourra développer ses propres adaptations. Même si elle est ici présentée pour le Cycle 3, l’activité pourra être menée au Cycle 2, par exemple en insérant un seul objet dans la boîte.
• Cette séquence pourra aussi être modifiée pour mettre l’accent sur un point particulier du programme : la recherche sur la notion de matière ou l’exploration de la structure interne de la Terre, qui sont au programme du Cycle 3, sont en effet fortement liées à cette idée de « recherche sur l’invisible ». Ce sont des domaines que nous ne pouvons pas observer directement.
• Enfin, il sera possible d’organiser un « défi » entre classes de la même école ou d’écoles différentes, travaillant en même temps sur des boîtes de contenu identique. Dans ce cas, le contenu pourra éventuellement être un peu plus complexe et prévoir des enquêtes plus poussées.

 


 

Il existe de nombreuses descriptions d’activités pédagogiques (souvent d’origine anglo-saxonne) autour de boites mystérieuses, ayant pour but de faire un travail en classe sur la nature de la science et les pratiques d’investigation.

 

Celle que nous proposons ici est largement inspirée du projet: « Dans la peau d’un chercheur », conçu par le CERN – Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (en collaboration avec l’Université et le Physiscope de Genève).

Nous avonc ommencé par le réaliser dans des classes avec des kits de boites « mystérieuses » fournis par le projet. Ensuite, nous avons développé nos boites et nos conseils de mise en oeuvre. Nous avons aussi adapté les contenus et les messages pour qu'ils correspondent à ceux de notre projet Esprit scientifique, Esprit critique. Nous proposons ici une version facile à réaliser en classe.

D'autres variantes sont cependant possibles, qui vont impliquer la participation de plusieurs classes, l'organisation de mini-conférences scientifiques et la participation de scientifiques invités dans les classes. Vous en trouvez un exemple à la fin de cette activité. 

 

 

Activités "boite mystérieuse" similaires  décrites sur des sites web anglophones publiant de nombreuses activités pédagogiques sur la nature de la science.

 

Voir par exemple le site «Evolution and the Nature of Science Institutes» (Indiana University) :

 

  • http://www.indiana.edu/~ensiweb/natsc.fs.html
  • http://www.indiana.edu/~ensiweb/lessons/mys.box.html

 

Le projet « Dans la peau d’un chercheur », conçu par le CERN – Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (en collaboration avec l’Université et le Physiscope de Genève)

  • http://www.danslapeaudunchercheur.org
  • http://danslapeaudunchercheur.ning.com

L'adaptation du projet « Dans la peau d’un chercheur» qui a reçu le Prix 2012 « La main à la pâte », décerné par l’Académie des sciences.

  • http://www.fondation-lamap.org/fr/page/15606/dans-la-peau-dun-chercheur)

 

 


Préparation / en amont de la séance

En amont, l’enseignant prépare les « boîtes mystérieuses » : des boîtes en carton simples et toutes identiques, remplies ou non de petits objets, et bien fermées de façon qu’on ne puisse pas les ouvrir facilement. La préparation des boîtes prenant un peu de temps, il est recommandé de s’organiser à l’avance.

  • Toutes les boîtes doivent être identiques en forme, avec un volume pratique. On pourra utiliser des boîtes pour envoi postal (le carton est épais et cache les odeurs à l’intérieur, elles sont chères, mais faciles à se procurer), des boîtes alimentaires (par exemple des « pasta box »), des boîtes-cadeaux…
  • Seulement la moitié des boîtes sera remplie d’objets, les autres boîtes servant de « témoins » pour les expériences.
  • L’enseignant choisit les objets à insérer dans les boîtes en fonction de leur disponibilité pour lui. L’important est que l’« exploration » mobilise différentes modalités sensorielles et que les effets des objets lors de la manipulation puissent être bien identifiés. Penser à les récupérer à l’avance et à vérifier l’effet qu’ils produisent lorsqu’on manipule la boîte fermée, avant de les amener en classe.
  • Nous conseillons de limiter le nombre d’objets (3-5 objets au maximum). Voici quelques objets ayant bien marché dans les classes qui ont réalisé l’activité au cours des tests : aimants très forts (penser à les tester à travers la boîte) ; flacons ou ballons en baudruche partiellement remplis d’eau (attention, ça peut éclater !) ; billes ; riz, lentilles ou autres graines dans des petits conteneurs (par exemple dans des œufs en plastique) ; un objet odorant, comme un sachet de thé parfumé aux fruits rouges ou aux agrumes (le parfum pouvant être renforcé grâce à des arômes artificiels) ou des doses de lessive.
  • Si l’enseignant compte ouvrir les boîtes en fin d’activité, il pourra insérer des objets qui se prêtent à des investigations supplémentaires ou à des considérations ultérieures, par exemple un billet avec des compliments pour les chercheurs en herbe. Le billet ne sera pas juste une jolie surprise, mais aussi une manière de souligner que – dans le travail du chercheur – perdure une part importante d’inconnu. En effet, les moyens mis à disposition des élèves ne leur auront probablement pas permis de deviner la présence d’un papier dans la boîte, encore moins d’en anticiper le texte. Les scientifiques n’ont pas le loisir de pouvoir ouvrir leurs boîtes mystérieuses à la fin d’une enquête pour savoir « s’ils avaient juste » et une partie de leur travail consiste donc à s’habituer à l’idée d’incertitude et de connaissance partielle… jusqu’à ce que les techniques évoluent et permettent peut-être un jour d’en savoir plus !
  • Une variante intéressante d’un point de vue pédagogique consiste à demander l’aide d’un collègue pour remplir les boîtes, de manière à ce que l’enseignant qui mène l’activité en ignore le contenu autant que ses élèves. De cette manière, il peut vivre l’enquête avec le même esprit de curiosité et de découverte que sa classe.

Déroulé possible

Phase 1 : Première approche de la « boîte mystérieuse » (environ 1h)

Objectif : Observer de manière spontanée puis rigoureuse et précise, formuler des hypothèses à partir des observations menées.

L’enseignant dépose une boîte face à la classe. Il présente l’activité comme une enquête pour la résolution d’un mystère et pourra – éventuellement – scénariser cette introduction « comme dans une enquête policière » : « Une ou plusieurs boîtes mystérieuses ont été retrouvées. Il nous a été interdit de les ouvrir ou de les abimer – pour ne pas risquer de détruire des indices – mais on nous demande de les explorer pour chercher à en identifier le contenu… »

Note pédagogique
L’enseignant peut préciser que toutes les boîtes ont le même contenu, ou décider de laisser la question ouverte. Dans le premier cas, on favorise la collaboration entre les groupes à la fin du défi car, en partageant les différentes « lignes de recherche », on peut se rapprocher plus du contenu réel de la boîte. Dans le cas où on ne saurait pas d’avance si les boîtes ont le même contenu, on évite le risque qu’un groupe ne « copie » sur l’autre pendant la phase d’exploration.

Les élèves observent extérieurement la boîte, la sentent à tour de rôle, puis la manipulent. Attention, la boîte doit rester intègre tout au long de l’activité : il n’est pas question de l’ouvrir ou de l’endommager. De cette manipulation, émergent des indices : des odeurs, des sons, certaines sensations « tactiles » (déplacements d’objets à l’intérieur, lorsqu’on la bouge lentement ou rapidement)… L’enseignant demande : « Quel est le contenu de la boîte ? Qu’est-ce qui va guider les hypothèses et comment allez-vous pouvoir les tester ? Pouvons-nous voir cela sans ouvrir la boîte ? »

L’enseignant annonce que l’activité va se poursuivre par groupes et met à disposition de chaque groupe une « boîte mystère ». Chaque groupe note toutes les observations et les hypothèses que ces observations lui inspirent.
Pour faciliter la distinction entre « ce que j’observe » et « l’hypothèse que je fais à partir de cette observation », la Fiche 1 est fournie à chaque groupe. Par exemple : une odeur d’agrumes émane de la boîte. On note ceci dans le tableau, dans la colonne « observations ». On émet des hypothèses : présence d’un fruit, d’un sachet de thé, d’un savon aux agrumes… Au fur et à mesure que les observations s’accumulent, les hypothèses peuvent être modifiées, affinées. L’enseignant aidera les élèves à noter les observations et à formuler les hypothèses.
Enfin, terminer par une prise de mesures de la boîte, afin de bien la caractériser. Pour cela, des règles, mètres et balances sont mis à disposition. Si les élèves n’y pensent pas spontanément, l’enseignant les amène à réfléchir à la nécessité de peser une boîte vide pour soustraire cette masse à celle des boîtes pleines : ainsi, on peut avoir une idée de la masse du contenu.

L’enseignant annonce alors que – la prochaine fois – les groupes testeront leurs hypothèses à l’aide de matériel mis à la disposition de la classe. S’ils ont des idées de matériel particulier dont ils pourraient avoir besoin, les élèves sont invités à l’apporter pour la prochaine fois (par exemple des aimants, pour tester la présence ou non de fer, de nickel ou de cobalt). De nombreux objets métalliques sont en fer, nickel ou cobalt, ou en contiennent. D'autres métaux comme le cuivre, l'argent ou l'aluminium ne sont pas ferromagnétiques et ne sont pas attirés par un aimant.

Il peut être mentionné que la boîte vide servira de nouveau pour les expériences à venir : l’enseignant amènera les élèves à réfléchir à la notion de comparaison entre la boîte mystère et la boîte témoin.

 

 

 

Phase 2 : L’enquête continue (environ 1h)

Objectif : Tester ses hypothèses grâce à un protocole rigoureux afin d’identifier la cause des observations préalablement formulées.

En vue des expérimentations, l’enseignant met du matériel varié à disposition des élèves, sur une table, incluant des objets « candidats » au contenu de la boîte. Certains de ces objets seront réellement ceux du contenu de la boîte, d’autres n’auront rien à voir du tout. A partir de la Fiche 1 remplie en phase 1, chaque groupe sélectionne le matériel dont il aura besoin pour tester ses hypothèses.

La boîte vide est utilisée comme témoin : on y place les objets choisis – un à la fois puis tous ensemble – et on compare l’effet produit à celui observé lorsqu’on manipule la boîte mystère. L’enseignant pourra attirer l’attention des élèves sur :

  • la nécessité de soumettre les deux boîtes au même type de manipulation : à renifler les deux boîtes à partir de la même distance, à les secouer avec (à peu près) la même force, …
  • la nécessité, du moins dans un premier temps, de n’essayer qu’un objet à la fois dans la boîte témoin ;
  • l’opportunité de faire répéter les mêmes observations à différents membres du groupe, pour plus de fiabilité.

Par exemple, si on veut tester l’hypothèse voulant qu’un sachet de thé aux agrumes se trouve dans la boîte, et que sur la table on a à disposition un tel sachet ainsi qu’un carton parfumé et un citron : on met les objets les uns après les autres dans la boîte vide et – chaque fois – on sent la boîte à la même distance, on fait bouger la boîte de la même manière et on fait réaliser ces observations à plusieurs membres du groupe.

Enfin, l’enseignant insistera pour que toutes les nouvelles observations soient notées dans le tableau, les hypothèses modifiées en conséquence, et celles infirmées éliminées. Les hypothèses fausses peuvent se révéler nombreuses pendant cette phase de tâtonnement, mais les élèves se rendent compte que tous ces échecs permettent de trouver des réponses par élimination : « C’est trop lourd et le mouvement ne colle pas. Alors ce n’est pas un vrai citron… on va essayer le sachet de thé… »

 

Phase 3 : Partager et comparer les résultats (environ 1h)

Objectif : Partager les résultats des observations et des expérimentations, arriver à une proposition commune ou à identifier les différences entre les boîtes.

Les groupes d’élèves sont invités à présenter et à comparer leurs résultats, et à les discuter collectivement à la lumière des observations et tests des uns et des autres. Pour cela, chaque groupe prépare une présentation d’environ 5 minutes. à tour de rôle, les groupes prennent la parole, comme dans une conférence.

Note pédagogique 
Éventuellement, on pourra organiser cette « conférence » de façon inter-classes, voire dans un lieu emblématique (une université, un centre de recherche…) avec participation possible de scientifiques qui pourront partager leur vécu de laboratoire avec les élèves.
Au cours des tests de cette séquence, une classe a pu mettre en place ceci en lien avec des chercheurs du CEA, a échangé avec eux sur les méthodes en sciences… et les élèves ont fourni une boîte mystère spécialement préparée à destination des scientifiques, pour les mettre au défi à leur tour !


Conclusion générale

L’enseignant profitera de cette discussion pour faire le point sur les démarches utilisées, les faire expliquer par les élèves et les formaliser. « Que vous a appris cette activité ? » « à chercher sans voir, à faire des propositions pour prouver nos hypothèses ou pour dire qu’elles n’étaient pas bonnes, à se servir d’une boîte témoin pour pouvoir comparer, à travailler en équipes puis tous ensemble, à voir qu’on ne trouve pas toujours ce qu’on cherche, comme les scientifiques… »  « On a été mis au défi de découvrir le contenu d’un objet mystérieux. On a dû se baser sur des indices parce qu’on ne pouvait pas observer directement ce contenu. On a donc observé l’objet mystérieux… »

Une conclusion collective est rédigée, par exemple : Pour mener une recherche on doit :

  • Mener des observations de plus en plus rigoureuses, avec et sans instruments de mesure mais toujours en précisant ce qu’on a fait, ainsi que les résultats.
  • Sur la base de ces observations, formuler des hypothèses.
  • Préciser et sélectionner les hypothèses les plus plausibles au fur et à mesure que les observations diverses se multiplient. Certaines hypothèses en éliminent d’autres, certaines autres peuvent très bien s’y ajouter.
  • Procéder à des tests avec un protocole précis et préétabli. Par exemple, faire varier seulement un facteur à la fois.
  • Si on ne peut pas faire directement des tests sur l’objet étudié, on utilise un « témoin », un modèle qu’on peut modifier à volonté, pour comparer leurs comportements respectifs.
  • Répéter les observations.
  • Comparer les observations de différents groupes d’observateurs indépendants.

Enfin, et de façon optionnelle, procéder à l’ouverture de la boîte mystère (ou des boîtes mystères), en rappelant que les scientifiques n’ont pas toujours ce « luxe »…

Dans la vie de tous les jours on a rarement le temps et la patience de mettre en place un protocole de ce genre pour vérifier nos hypothèses. Il est toutefois important de savoir que la science doit son succès à ce genre de méthode, rigoureusement mise en place et répétée. Il est aussi important de distinguer entre affirmations qui s’appuient sur ce genre d’approche et simples assertions publicitaires, impressions, préconceptions.


Évaluation

A partir de leur expérience et de la synthèse de l’activité rédigée avec l’enseignant, les élèves sont mis au défi de proposer une affiche sur les différentes étapes de la démarche expérimentale, les remarques importantes, les points de vigilance. Ils peuvent inventer des icônes pour représenter chaque étape. Les affiches individuelles peuvent être utilisées pour produire un « patchwork » qui servira d’affiche pour la classe.


 

Une version alternative, ambitieuse mais aussi très amusante!

 

L’activité telle qu’elle est décrite ici a été mise en place avec le matériel fourni par les auteurs du projet « Dans la peau d’un chercheur ». 

Elle a été réalisée dans leurs classes respectives par 

Lynda Kherzi, Ecole Victor Hugo, Aubervilliers
Florent Mécène, Ecole Victor Hugo, Aubervilliers
Marion Olivier, Ecole Montessori Kids, Paris
 

 

Séance 1

    

 

Tout a commencé par la présentation de la boite « mystérieuse »  aux enfants et la mise au défi : « comment découvrir ce qu’il y a dans la boite que vous avez devant vous, sans l’ouvrir ?  » Les enfants des trois classes ont montré un certain désarroi : c’est impossible !

 

Les enseignants les ont encouragés à exprimer ce qu’ils pouvaient dire à propos du contenu de la boite, d’abord par la seule observation visuelle, sans toucher . Au bout de quelques instants de silence, les premiers se sont lancés. Certains ont démarré une liste de ce qui pourrait  se trouver dans la boite : des billes, une gomme, un stylo, un crayon, une paire de ciseaux, des feuilles de papier, des craies, des bonbons, un téléphone, des lunettes, des frites … Les idées fusent.

 

D’autres ont dressé une liste de ce qui ne peut pas  se trouver dans la boite : pas d’éléphant, pas de très grand objet, pas de liquide, pas d’animal vivant…

 

Les enseignants les  ont invités à justifier leurs idées (la boite est en carton, s’il y avait un liquide sans contenant elle serait mouillée ; il ne peut pas y avoir d’animal, elle ne bouge pas), et à aller vers des considérations plus générales. Par exemple : que peut-on dire de la dimension de son contenu en s’appuyant sur la dimension et la forme de la boite ?

 

Tout ce qui est dit est noté au tableau, la discussion se déroulant en grand groupe. Puis, les élèves s’approchent de la boite, la touchent et la déplacent  avec les mains, sans l’abimer, sans la casser ni l’ouvrir. Quelles modalités sensorielles sont mobilisées ? L’odorat permet de dire si le contenu a une odeur particulière. Toucher la boite peut donner des renseignements sur sa température. Soulever la boite ou la déplacer sur un plan, permet d’avoir une idée approximative de son poids. En déplaçant la boite, on peut entendre des bruits : l’ouïe fournit de nouvelles informations sur le fait qu’il y a probablement plusieurs objets non attachés, non collés qui s’entrechoquent, d’avoir une idée des matériaux dont ils sont faits (métal).

 

    

 

A cette étape de l’exploration, les enfants font l’hypothèse que la boite contient probablement plusieurs objets variés, différents en taille, en forme (on en a entendu certains rouler). Dans l’une des classes, la boite s’est attachée au bracelet en métal d’une élève (un cas de hasard qui se révèle bénéfique). Les enfants en ont déduit la présence d’un aimant. Tout est noté dans le cahier d’expériences, les observations sont datées. Avec toutes ces observations réunies et ce qui en a été déduit, les enfants se sont rendu compte qu’ils ont progressé et que le défi n’est peut-être pas impossible à relever. Rendez− vous est pris pour une prochaine séance, qui sera dédiée à identifier et à décrire les expériences à conduire.

 

Note pour l’enseignant  : Ce qu’on appelle communément le « toucher » comprend plusieurs typologies de capteurs. Certains, situés au niveau de la peau, répondent à la température, d’autres à la texture, d’autres aux stimuli nociceptifs (qui produisent la douleur), à la pression... Des capteurs proprioceptifs situés au niveau des muscles, des tendons et des articulations sont sensibles aux variations de position et de contraction des muscles ; ils fournissent des informations sur la position et l’état de mouvement du corps, et donc, indirectement, des informations concernant la forme, le volume et le poids des objets qui sont manipulés.

 

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Séance 2

  

 

En reprenant la liste des résultats des observations menées au cours de la première séance, et du matériel demandé par les élèves pour aller plus loin, les enseignants ont amené les enfants à expliciter quelles expériences ils voudraient réaliser et à les noter . Des enfants ont proposé de peser la boite et de comparer le poids avec celui de la boite vide témoin pour connaitre le poids global du contenu. D’autres ont voulu comparer le bruit produit par la boite lorsqu’on la secoue un peu, avec le bruit de la boite témoin remplie avec  des objets variés. D’autres encore ont suggéré de comparer la force de l’objet aimanté avec celle de plusieurs aimants.

Les enseignants ont invité les enfants à concevoir des protocoles pour chacune des expériences proposées et les accompagne dans cette conception : ils ont proposé une démarche à suivre pour la conception des protocoles : établir un objectif, indiquer le matériel à utiliser, décrire l’ordre des actions à mettre en place et bien penser à tous les témoins, réaliser l’expérience, décrire les résultats de l’expérience et les conclusions qui en découlent. En ce qui concerne l’expérience à réaliser, les enseignants ont insisté sur l’importance de la boite témoin, qui permet à la fois de réaliser des comparaisons (avec le poids de la boite pleine, avec les impressions sonores de la boite pleine …).

 

A cette étape, on a constitué des groupes. Les enfants divisés en groupes ont écrit le protocole de l’expérience qu’ils souhaitaient réaliser. Par exemple, dans le cas de la pesée, les enfants ont décrit la procédure suivante :

- d’abord peser la boite mystérieuse

- ensuite peser la boite témoin vide

- calculer la différence entre les deux et en déduire le poids du contenu

- ce poids peut rester constant ou varier au cours du temps

- ce poids devra être comparé à la somme du poids de tous les objets qui seront mis au jour lors de la dernière séance

- l’indication du poids global sert à exclure des objets que d’autres groupes ont pu proposer comme candidats.

 

Dans deux classes, les groupes ont réalisé chacun une expérience différente ; dans une autre, ils ont choisi de réaliser tous la même expérience à tour de rôle pour comparer les résultats. Les élèves ont eu à réfléchir sur les atouts de l’une ou l’autre de ces deux possibilités : soit plus d’expériences et donc de résultats différents, soit des résultats à comparer. Ceci fait l’objet de verbalisation.

La liste du matériel nécessaire pour la réalisation des expériences est notée au tableau et éventuellement dans les cahiers d’expériences. Rendez−vous est pris pour une prochaine séance, qui sera dédiée à réaliser les expériences choisies.

 

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Séance 3

    

 

Dans les trois classes, les élèves ont fait des pesées avec des balances soit électroniques soit de type Roberval. Certains enfants ont pesé avec un dynamomètre qu’ils avaient utilisé auparavant dans une activité de sciences.

 

Des élèves ont comparé la puissance de l’objet aimanté de la boite avec celle de plusieurs aimants ; certains se sont efforcés de délimiter la zone d’attraction de l’aimant en utilisant des trombones en métal qu’ils ont approché de la boite à plusieurs endroits. Un groupe, ayant fait l’hypothèse que la bille pouvait être l’objet aimanté, a bloqué l’objet aimanté de la boite en posant un autre aimant sur la boite et a ensuite secoué la boite pour vérifier si la bille roulait encore ou non.

 

Plusieurs enfants ont testé les bruits produits par des objets divers et ont reconnu qu’il est difficile de reconnaître un objet par le bruit qu’il fait en interagissant avec d’autres. Mais ils ont pu exclure un grelot, ils ont pu dire qu’il devait y avoir quelque chose de petit, comme des grains de riz probablement, contenus dans une petite boite … Le nombre et le type d’objets à l’intérieur de la boite a continué à faire l’objet de discussion.

 

En secouant la boite, des enfants ont émis l’hypothèse que certains objets ne bougeaient pas librement : pourrait-il y avoir un sachet contenant certains des objets ?

 

Dans une classe, un enseignant a évoqué la possibilité de « voir » à l’intérieur de la boite : comment ? Les enfants pensent aux radiographies. Ils font des recherches sur Internet, en classe, pour apprendre ce que les radiographies pourraient leur montrer.

 

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Séance 4

    

 

Dans deux classes, les enseignants ont apporté la "radiographie" (en réalité un dessin de l’intérieur de la boite) fourni dans le kit CERN : ce dessin à l’échelle permet de dénombrer les objets, de bien voir leur taille et leur forme. Dans l’autre classe, un enfant a proposé d’emporter la boite à l’hôpital où travaille sa mère, pour avoir une radiographie (et un scanner) ; cette radiographie n’a pas permis d’être certains du nombre d’objets : seuls certains des objets contenus dans la boite sont bien visibles. Les enfants se sont renseignés et ont appris que plus un objet apparaît blanc sur une radiographie, plus il est dense. Ils se sont donc demandés quelle est la densité d'une gomme, d'un morceau de bois, d’un métal ?

 

Un exemple de raisonnement au cours de l’activité

La radiographie a suggéré à certains enfants que la forme circulaire observée sur la radiographie pourrait être une pièce de monnaie. Ils ont par ailleurs remarqué, en posant la boite sur la radiographie, que la boite était superposable à son image et en ont déduit qu’il en irait de même pour les objets à l’intérieur. Il devenait donc légitime de comparer la taille de l’objet circulaire avec des pièces de monnaie. Cependant, un élève a argumenté que les pièces de monnaie étant en métal, elles devaient donc être attirées et bloquées par l’aimant. Les autres élèves ont testé l’attraction des pièces de monnaie euro : certaines ne se collent pas à l’aimant. Il pourrait donc bien s’agir d’une pièce de monnaie ! Mais aucune pièce de monnaie euro ne correspond à la taille de la figure circulaire. Tout n’est pas perdu pour les partisans de la présence d’une pièce de monnaie. Ils pensent au fait que la boite a été conçue en Suisse, au CERN ; les pièces de monnaie suisses sont-elles des euros ? Sinon, ont-elles la même taille que les euros ? Un parent s’est procuré de la monnaie suisse : les élèves constatent que l’une des pièces, qui d’ailleurs n’est pas attirée par l’aimant, correspond à la taille de la figure qu’on voit sur la radiographie.

 

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Séance 5

  

 

Cette dernière séance en classe a été dédiée à la synthèse des résultats et à la préparation de la présentation finale. Chaque classe savait qu’elle allait rencontrer les deux autres et tous les enfants sont curieux de savoir si les autres sont plus avancés qu’eux. Chaque classe a choisi des présentations orales, et deux ont produit des posters. Ils ont tous choisi de présenter un historique, à partir du problème posé, de leurs investigations, de leurs hypothèses et de leurs résultats. Ils ont raconté leurs doutes, les pistes prises, les hypothèses fausses, celles qui semblent en accord avec les faits, leurs conclusions. 

 

La préparation des présentations a été un moment important. Les élèves se sont aperçus que sans l’aide du cahier d’expérience et de notes prises au fur et à mesure (et celles notées par l’enseignant sur des affiches) ils auraient oublié des investigations et des résultats. La phase de synthèse a été indispensable à la fin du projet, pour que les enfants puissent se remémorer ce qui s’est passé, réfléchir encore une fois aux différents aspects des actions entreprises, à la valeur des investigations (observations, expériences) pour déduire ce que peut être le contenu de la boite.

 

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Séance finale

   

 

Les élèves des trois classes se sont retrouvés dans un amphithéâtre de l’ESPCI (Ecole de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris)  en présence de deux chercheurs en physique des particules (CEA, Saclay). Chaque classe a présenté ses résultats.

Les scientifiques ont posé des questions à la fin de chaque présentation, ont souligné les similitudes de la démarche avec celle qu’ils font dans le cadre de leur propre travail de recherche : le rôle du hasard des pistes qui se révèlent fausses, le rôle de l’erreur, le fait que leurs résultats sont confirmés ou pas par d’autres chercheurs en France ou dans le monde. Ils ont proposé aux élèves d’inscrire dans un tableau à 3 colonnes les résultats de chacune des trois classes, de manière à opérer une vraie synthèse. Certaines conclusions étaient communes aux trois, d’autres pas. Les chercheurs ont alors pu témoigner du fait que lorsque plusieurs laboratoires obtiennent le même résultat ils se sentent plus certains de son exactitude.

 

L’ouverture des boites, moment très attendu, a enfin eu lieu.

 

  

 

Ensuite, les scientifiques ont été mis au défi de trouver le contenu d’une boite que les enfants avaient faite pour eux, en choisissant un objet par classe. Les chercheurs ont raisonné à voix haute. Ils ont fait la distinction de ce qu’ils pouvaient dire sur la base de modalités sensorielles et de ce qu’ils auraient pu dire s’ils avaient eu des instruments dans leur laboratoire. Ils ont parlé de l’invisible et de la façon dont les scientifiques s’y prennent, du moins en physique des particules.

 

  

 

Conclusions et considérations autour de la démarche scientifique, discutées avec les classes

La science est née de la volonté de connaître, de mieux comprendre le monde qui nous entoure, ses objets, ses phénomènes. En science, on ne peut pas se contenter d’affirmer ses idées, il faut les étayer. On s’efforce alors de fonder ses idées sur des observations, des résultats d’expériences, des raisonnements, des réflexions, des connaissances établies antérieurement, …

 

Il est absolument évident que l’activité proposée ne couvre pas tous les aspects de la pensée et de la pratique scientifiques. Il n’y a pas qu’une seule manière de faire ou qu’une méthode en sciences qui s’appliquerait à tous les domaines, à tous les objets, à tous les contextes. Cependant, grâce à la démarche très générale qu’elle emploie et à l’accent mis sur la réflexion à propos d’aspects pratiques et conceptuels de la recherche scientifique, cette activité peut servir d’introduction à d’autres activités de science qui se dérouleront au cours de l’année. Au cours de celles-ci, on pourra remobiliser le souvenir de certains moments clés de la boite mystérieuse, des méthodes et des concepts propres à la science que l’on avait abordés.

 

Si la science pratiquée en classe n’est pas la même que celle pratiquée par les chercheurs de profession, elle peut prendre modèle sur cette dernière pour donner le goût de l’esprit de recherche, de l’esprit créatif, de l’esprit critique ; pour faire pratiquer des activités simplifiées d’investigation et pour faire réfléchir à leur signification et à ce qu’elles apportent en termes de connaissances. Grâce à cette activité, les élèves pratiquent, de manière simplifiées et guidée, une investigation, mettant en jeu :

  • une observation rigoureuse, en utilisant plusieurs modalités perceptives (séance 1)
  • une formulation d’hypothèses testables à partir de cette observation (séance 2)
  • une conception de protocoles expérimentaux, la réalisation d’expériences, l’analyse des résultats (séances 3 et 4)
  • l’expression orale et écrite, en utilisant un vocabulaire précis, à l’aide de différents supports (séance 5)
  • l’exercice du débat et de l’argumentation (séance finale)

 

Au cours de l’activité,  plusieurs aspects de la recherche scientifique ont émergé, et il a été possible e les discuter en fin de séance et puis pendant la conférence finale :

  • L’observation fait partie de la pratique scientifique ; à partir des observations, on fait des déductions et des interprétations.
  • Une hypothèse n’est pas simplement une idée. Une hypothèse doit se fonder sur les observations et sur les connaissances préalables ; elle permet d’énoncer une prédiction ou une explication qu’il est nécessaire de soumettre à l’épreuve de l’expérimentation.
  • Avant de passer à l’expérimentation, il est nécessaire d’élaborer un protocole, ce qui nécessite un important travail personnel, souvent soumis à la critique constructive du groupe de réflexion.
  • Une expérimentation est une procédure communément utilisée par les scientifiques (bien que la science ne se réduise pas à faire des expériences) ; elle permet de répondre à des questions comme : « qu’est-ce qui a provoqué (causé) l’effet que j’observe ? » mais aussi de préciser les caractéristiques d’un objet ou d’un phénomène.
  • La disponibilité de matériel et instruments influence toujours la conception et la réalisation des expériences.
  • Les résultats positifs sont riches de conséquences et ouvrent de nouvelles perspectives. Mais les résultats négatifs peuvent eux aussi, sous certaines conditions avoir une importance et prendre une valeur positive. Par exemple, lorsque le résultat obtenu fait penser que l’hypothèse de départ est fausse, il est possible qu’on ait mis au jour une pièce importante de connaissance qu’il faudra prouver.
  • Lorsque les résultats de plusieurs observations et expériences convergent entre eux et avec les connaissances acquises antérieurement, les conclusions qu’on peut en tirer deviennent plus probables. C’est une des raisons de l’importance que plusieurs personnes ou laboratoires mènent des recherches dans le même champ, et répètent (ou du moins puissent répéter) les mêmes expériences (reproductibilité).
  • La coopération a un rôle important en science, par exemple elle peut augmenter la créativité, les chances d’avoir « de bonnes idées ». Elle permet de s’apercevoir plus facilement des erreurs, des fausses pistes. Elle joue un rôle fondamental dans l’argumentation et aide à raisonner et à dépasser le point de vue personnel, pour voir les choses sous d’autres points de vue.
  • La communication est essentielle entre chercheurs : elle permet la mise en commun des résultats, les discussions, les consensus, les critiques…
  • Ecrire est une part importante (et d’ailleurs obligatoire légalement) de l’activité scientifique. Écrire permet de communiquer, mais aussi de garder des traces ou des preuves et raisonner sur ce qu’on fait, par exemple pour comparer les observations, les hypothèses, les résultats, les mesures, les idées.

 


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Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte CASDEN