Séquence bonus : Dans le tube

Dans le tube


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 :

Par cette activité,  les élèves sont mis au défi de se figurer la structure et le fonctionnement d’un objet mystérieux : un tube opaque fermé aux deux extrémités, d’où sortent quatre cordelettes et qu’on ne peut pas ouvrir.  Que peut-il y avoir à l’intérieur du tube ? Comment les cordelettes sont-elles arrangées à l’intérieur? 

Les enfants prennent l’objet dans leurs mains, en évaluent le poids, écoutent les bruits qu’il produit quand ils le secouent, tirent sur les cordelettes, une ou plusieurs à la fois... Mais de toute évidence, cela ne suffit pas à comprendre comment les cordelettes sont agencées. Il faut construire un modèle que l’on pourra manipuler, sur lequel on pourra produire des actions et dont on pourra observer les réactions. Ce modèle n’est pas seulement un outil qui représente une hypothèse explicative,  il permet aussi de la tester. 

Durée :

1 séance de 1h / 1h30 environ (la séance peut être divisée en 2 parties).

Matériel :

Pour la fabrication de chaque tube de départ (objet mystérieux), qui sera fait par l’enseignant :

  • Un cylindre en carton (rouleau de papier toilette, rouleau de papier cuisine)
  • Deux cordelettes, type "scoubidou" 
  • Un anneau de plastique ou de métal ou un petit élastique (l’anneau de métal facilite le glissement des cordelettes et permet d’ajouter une dimension sonore à l’objet mystérieux)
  • Du scotch opaque  

Le matériel nécessaire pour que chaque groupe d’élèves construise des modèles du tube et les teste ainsi que le matériel pour dessiner et prendre des notes :

  • Tubes en carton (rouleau de papier toilette, rouleau de papier de cuisine)
  • Cordelettes de différents types
  • Anneaux en plastique, en métal, élastiques
  • Scotch opaque
  • Perles, fils, trombones, et autres objets qui pourraient se trouver dans le tube
  • Ciseaux (pour couper les cordelettes)
  • Cahier de sciences, feuilles, crayons (pour dessiner des modèles)
Message à emporter :

La manière de raisonner et de procéder utilisée dans la démarche scientifique (la construction de modèles, l'utilisation de représentations simplifiées comme substituts de la réalité) peut être utile dans la vie de tous les jours: nous pouvons à tout moment fabriquer des représentations simplifiées de la réalité et à les utiliser comme supports pour notre raisonnement. 

Se familiariser avec la notion de modèle est en plus important pour notre compréhension de la pratique et de la connaissance scientifique, car nous permet de mieux comprendre comment les scientifiques étudient des phénomènes complexes, et important pour notre vie, comme le climat, les populations, les risques.

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.
• A partir du déroulé proposé, l’enseignant pourra développer ses propres adaptations. 

Le tube constitue un outil pédagogique permettant de faire réfléchir les élèves à la nature de l’investigation en science, et notamment aux notions de test et de modèle.  L'enseignent décide si utiliser ce terme. 

L’activité comporte une manipulation fine de cordelettes à enfiler dans des trous, ce qui peut être difficile pour certains enfants (notamment mais pas seulement pour des enfants dyspraxiques). Faire un dessin schématique peut également être difficile pour certains. Cependant, l’activité se déroulant en groupe, les enfants peuvent, à l’instigation de l’enseignant si nécessaire, s’entraider et distribuer les tâches de manière à suppléer par la coopération les difficultés de chacun. 


 

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.

L’activité proposée ici a été adaptée à partir des  activités  

 

 

 

 


Préparation / en amont de la séance

 

Fabrication d’un tube par l’enseignant :

 

La fabrication du tube est simple, mais quelques astuces peuvent produire un meilleur effet :

  • Fabriquer le tube à l’avance et testez-le avant de l’apporter en classe.
  • Percer un trou dans le carton du tube à 2 cm environ d’une extrémité, puis un trou diamétralement opposé à la même distance de cette extrémité.
  • Percer deux autres trous à 2 cm environ de l’autre extrémité, de façon à ce que tous les trous soient dans un même plan.
  • Faire passer les deux cordelettes dans l’anneau.
  • En tenant les deux extrémités d’une des cordelettes, faire descendre l’anneau et l’autre cordelette à l’intérieur du tube, jusqu’à en récupérer les deux extrémités de l’autre côté du tube.
  • Faire sortir les 2 bouts de chaque cordelette par les deux trous les plus proches. 
  • Équilibrer la longueur des cordelettes sortantes et faire un nœud à chaque bout de cordelette,  pour qu’elles ne puissent pas passer à travers le trou et rentrer dans le tube.
  • Fermer les deux extrémités du tube avec du scotch opaque.
  •  Le tube mystérieux de départ apporté par l’enseignant peut être fabriqué  avec un tube long (rouleau de cuisine), mais les rouleaux courts (papier toilette) seront plus faciles à manipuler par les enfants. Des tubes courts peuvent être réunis avec du scotch.
  • Il est conseillé à l’enseignant de fabriquer plusieurs tubes, pour se préparer à d’éventuelles façons de faire par les enfants et pour observer ce qui se produit dans chaque cas lorsqu’on tire sur les cordelettes. Par exemple, dans le cas du montage proposé, en tirant sur les cordelettes on produit 2 types de mouvements successifs : la corde tirée coulisse dans l’anneau, puis lorsque le nœud bute sur le carton, l’anneau est ramené vers la cordelette tirée (ce qui entraine les extrémités de l’autre cordelette jusqu’à ce que les nœuds butent eux-aussi). Cela se comprend bien si on part d’une situation dans laquelle aucun nœud n’est en butée. Le même comportement se produit sans anneau, si l’on croise les cordelettes. Toutefois, la corde risque de moins bien glisser (à moins d’utiliser une cordelette en nylon) et on perd le bruit produit par le métal. En revanche, avec un montage dans lequel les bouts d’une cordelette sortent l’un en haut et l’autre en bas du même côté du tube, le comportement est différent : que l’on utilise un anneau ou que l’on croise les cordes, la cordelette sortant vers la même extrémité du tube que celle que l’on tire n’est pas tractée. Ce type de montage ne reproduit donc pas les mouvements observés sur l’objet mystère.

Déroulé possible

 

Phase 1. Observation 

(environ 20')

  • En grand groupe, l’enseignant montre aux élèves 1 tube mystérieux et fait bouger les cordelettes. Elle a pris soin de positionner les cordelettes de façon à ce qu’aucun des nœuds ne soit en butée. Elle tire successivement sur les cordelettes et montre l’effet produit. Quand elle tire sur 1 cordelette, les enfants observent qu’une autre rentre ; puis, si elle continue à tirer, tous les bouts de cordelette bougent (sans rentrer dans le tube). L’enseignant demande aux élèves de réfléchir à ce qui se passe à l’intérieur du tube.
    • Enseignant: "Cherchez à comprendre ce qui se passe à l’intérieur du tube, comment il est construit, de quelles parties il est composé, comment les ficelles sont à l’intérieur…"
  • Les enfants sont divisés en petits groupes (de 2 à 4 élèves). L'enseignant donne 1 tube à chaque groupe ou fait passer 1 tube à chaque groupe.  Elle invite les enfants à bien observer l’effet produit par le fait de tirer sur une cordelette et à s’exprimer oralement. L’enseignant invite les élèves à émettre des hypothèses permettant d’expliquer ce qui se passe à l’intérieur du tube. Elle montre éventuellement encore une fois le mouvement produit lorsqu’on tire sur chaque cordelette,  nœuds en butée ou pas. Les hypothèses peuvent éventuellement être modifiées.
    • Dans un premier temps, l'enseignant demande aux élèves de se limiter à observer, à manipuler, à tirer sur les ficelles, sans écrire ni dessiner, mais en discutant au sein du groupe.
    • En passant parmi les groupes, elle relève les propositions, demande à ceux qui pensent avoir trouvé quelque chose d’intéressant de le partager avec les autres…
      • Par exemple, un groupe a remarqué qu’en tirant sur les ficelles du bas celles du haut bougent aussi ; un autre a entendu un bruit en secouant le tube...

 

 

Phase 2. Construction du modèle et tests

(environ 30')

  • Ensuite les élèves, en petits groupes, sont invités à construire leur propre modèle tridimensionnel du tube, sur la base de ce qu’ils ont pu observer et avec le matériel qu’ils considèrent comme nécessaire. L’enseignant met l’accent sur le fait qu’un modèle est un objet qui se comporte le plus possible comme l’objet original.
    • Le matériel est mis à disposition, dans une grande boite, au centre de la salle de classe. les élèves se servent des objets qu'ils considèrent utiles pour la fabrication du modèle.
  • Les élèves testent leur modèle et le comparent avec le tube original : est-ce que les mouvements des cordelettes sont les mêmes ou sont-ils très différents ?
    • A-t-on réussi à reproduire exactement le tube original ? Le mouvement des cordelettes, le bruit ... Peut-on faire mieux sans ouvrir le tube original ? 
  • Au préalable, l’enseignant peut éventuellement inviter les élèves à dessiner (schématiquement) un modèle du tube, en précisant qu’il s’agit de représenter l’intérieur du tube et l’organisation des cordelettes : un dessin schématique, avec des légendes, par exemple (il est alors utile d'utiliser des lettres pour indiquer le point de sortie des ficelles pour mieux identifier chaque ficelle individuellement et réfléchir à leur enchainement). Le dessin permet de mieux raisonner sur l’intérieur du tube  et de se poser la question : y a-t-il une ou plusieurs cordelettes? L’enseignant accompagne le travail en passant parmi les groupes et en aidant la réflexion.

      

         

   En classe avec Cécile Besson-Perrin, CM2, Ecole Elementaire Charles Péguy Kremlin-Bicête, Paris

 

Phase 3. Discussion autour du modèle

(environ 20')

  • La classe se réunit en grand groupe et on discute les modèles de chaque groupe,  les raisons qui ont conduit à faire certains choix, les difficultés, le type de collaboration instauré entre élèves, et ce qu’elle a apporté.
    • Chaque groupe montre l’enchainement interne qu’il a créé : on remarque alors qu’ils ne sont pas tous pareils.
    • On compare le comportement de chaque modèle avec celui du tube original. 
    • L’enseignant peut décider d’ouvrir le tube ou de le laisser fermer. La deuxième option peut être plus frustrante pour les élèves, mais elle correspond mieux à ce qui se passe en sciences.

Conclusion générale

La démarche scientifique (une version schématique)

L’enseignant profitera de cette activité 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.

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.

 

Les modèles (en raison de l'âge des élèves)

 

L’enseignant réfléchit à voix haute avec la classe à propos de l’utilisation des modèles et de leur rôle dans la recherche scientifique.  Le mot "modèle" n'est pas spécifique à la science, et nous le retrouvons dans son usage quotidien lorsque nous disons nous inspirer d'un certain modèle, ou que nous parlons du modèle en confection de vêtements, en art... Les enfants pourront travailler sur les différents usages de ce mot et sur leurs similitudes.

On pourra faire remarquer que en classe on se sert de modèles lorsqu'elle mène certaines activités de science en classe: en astronomie, en sciences de la Terre, ...

Il est utile de comprendre qu'un modèle, pour pourvoir servir à mieux connaitre la réalité, doit partager certaines caractéristiques cruciales avec l'objet ou le phénomène qu'il représente; mais aussi que cette sélection comporte toujours une simplification, à prendre en compte. 

 

La classe discute ensuite autour de la notion de modèle en science. En raison de l'âge des élèves et des activités de sciences qu'ils ont menées au préalable, l'enseignant peut évoquer des modèles scientifiques déjà rencontrés ou qui seront présentés dans le cadre d'autres activités disciplinaires. 

 

Depuis longtemps, les scientifiques conçoivent et réalisent de modèles.

La science ne se limite pas à mener des expériences et à vérifier ses prédictions en contact direct avec la réalité.  Elle se sert aussi d'observations et d'expériences d'autre nature, qui dépendent fortement des constructions de notre esprit.

Les modèles sont des constructions de l'esprit ; mais ils sont aussi des outils de compréhension. Ils permettent:

  1. de mener des observations et tests parfois impossibles en nature,  voire des expériences de pensée ;
  2. d'isoler des caractéristiques du phénomène étudié et de concentrer l'attention sur celles-ci;
  3. de manipuler des vaiables autrement inaccessibles; de prédire le comportement d'un certain objet ou phénomène, et de vérifier la prédiction sans attendre que le phénomène se produise en nature.  

Les modèles sont des représentations de la réalité. Un modèle est souvent une représentation simplifiée, partielle, provisoire de la réalité.

  • Les modèles peuvent être des objets physiques, matériels (des maquettes) comme celui que les enfants construisent et manipulent au cours de l'activité;

  • ou des "fictions mentales": modèles virtuels, descriptions, équations.  

  • De nos jours, beaucoup de modèles sont numériques, ce qui permet de les voir sous toutes leurs faces, de les faire bouger, de modifier plus facilement leurs états.

En partant de quelques propriétés connues, les scientifiques conçoivent un objet qui possède certaines des caractéristiques de l’objet étudié.

  • Une fois le modèle conçu (il n'existe pas de règle générale sur comment construire son modèle), on peut apprendre plus à propos de ses propriétés (et de celles de l'objet qu'il représente) en le manipulant.
  • Sur le modèle, on peut en effet multiplier les tests, prédire ses réactions à de nouvelles actions et vérifier ses prédictions.
  • L’objet observé et le modèle, même s’ils se comportent de manière semblable, ne sont pas forcément identiques; au contraire, le modèle est souvent simplifié par rapport à l'original. Il faut donc faire attention à généraliser correctement les propriétés du modèle à l'objet original.

 

Science et société

 

Mieux comprendre les modèles et leur rôle dans la recherche scientifique est essentiel pour comprendre la science : la nature de la connaissance scientifique, mais aussi la science dans son interaction avec la société.

  • Parmi les exemples de modèles scientifiques les plus débattus de nos jours, se trouvent les modèles du climat et du changement climatique.
    • On pourrait vouloir objecter qu'il vaudrait mieux étudier "directement le climat" plutôt que s'efforcer de produire des modèles. Cette objection découle d'une mauvaise compréhension des modèles scientifiques. le changement climatique a lieu à des échelles, spatiales et temporelles, que les scientifiques ne peuvent pas étudier directement. Le changement climatique est un phénomène global, et ce qui nous intéresse de comprendre est son évolution future: étudier le passé ou se limiter à des observations locales ne nous suffit donc pas. Les scientifiques sont obligés de recourir à des modèles les plus fidèles possibles des conditions climatiques présentes et passées et, sur la base de leurs théories, de fabriquer des modèles à tester par différents moyens. 
    • Lorsque les modèles sont conçus de manière fidèle et soutenus par des observations et des théories solides, ils peuvent être remarquablement prédictifs.  A titre d'exemple, le chimiste russe Dmitri Mendeleev a produit son tableau périodique des éléments, autour de la moitié du XIX siècle, alors que seulement 56 des 118 éléments connus aujourd'hui avaient été découverts. Le modèle produit par Mendeleev permettait cependant de prédire l'existence des éléments encore inconnus, ainsi que leurs caractéristiques. 

 

Esprit scientifique et esprit critique

  • Même si, dans les laboratoires de recherche, la science utilise le plus souvent des technologies sophistiquées, elle peut s’exercer sur des objets simples. L'esprit scientifique fait se poser des questions : comment fonctionne cet objet ? Comment expliquer qu’il se comporte d’une certaine manière ? La science tente de trouver des réponses. Elle peut donc s’appliquer à tout phénomène naturel, aux objets de tous les jours, si bien qu’apprendre à penser « en scientifiques » peut nous amener à réfléchir à des objets, des situations ou à des problèmes de la vie quotidienne. 
  • Un modèle est un outil pour penser. Lorsque nous ne comprenons pas la structure ou le fonctionnement d'un objet, nous pouvons essayer, après l'avoir observé, d'en extraire les caractéristiques qui nous semblent les plus importantes et d'en fabriquer un modèle, physique ou mental. Sur ce modèle, nous pourrons plus facilement raisonner. Apprendre à utiliser des modèles (à raisonner sur des modèles) peut donc affiner et outiller nos capacités de raisonnement. Il est utile pour les enfants de s'approprier progressivement cette compétence. 

 

Les différentes considérations sont consignées dans le cahier de sciences.

 


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.

 


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Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte CASDEN