Sciences de l'ingénieur - Mécanique
Description
Les Secrets de la Mécanique Deviens un ingénieur en herbe Mécanique Energie Activité pour des élèves âgés de 9 à 11 ans This document is produced under the EC contract № 288989 It is the property of ENGINEER Parties and shall not be distributed or reproduced without the formal approval Introduction Voici une des 10 activités ENGINEER conçues pour les écoles primaires afin de découvrir une nouvelle façon d’enseigner les sciences basée sur la résolution de défis relevant de l’ingénierie. Basé sur le modèle didactique élaboré par le Musée des Sciences de Boston « Engineering is Elementary » (L’ingénierie, c’est élémentaire). Chaque activité illustre un thème différent relevant des sciences de l’ingénierie et ne requière que du matériel peu coûteux pour aider les élèves dans leur exploration et leur permettre de résoudre des problèmes en concevant des objets. Réaliser ces activités permet de lutter contre les idées reçues sur l’ingénierie et les ingénieurs ainsi et d’accroître la participation des filles dans le domaine des sciences, de la technologie et de l’ingénierie. Démarche pédagogique du processus de conception technique. Approche pédagogique Chaque activité repose sur la démarche pédagogique du processus de conception technique, qui se décline en cinq étapes : se questionner, imaginer, planifier, créer et améliorer.
Informations
| Publié par | Engineer |
| Publié le | 21 janvier 2014 |
| Nombre de lectures | 50 |
| Langue | Français |
| Poids de l'ouvrage | 2 Mo |
Extrait
Les Secrets de la Mécanique Deviens un ingénieur en herbe Mécanique
Energie Activité pour des élèves âgés de 9 à 11 ans
This document is produced under the EC contract№288989 It is the property of ENGINEER Parties and shall not be distributed or reproduced without the formal approval
Introduction
Voici une des 10 activités ENGINEER conçues pour les écoles primaires afin de découvrir une nouvelle façon d’enseigner les sciences basée sur la résolution de défis relevant del’ingénierie. Basé sur le modèle didactique élaboré par le Musée des Sciences de Boston «Engineering is Elementary» (L’ingénierie, c’est élémentaire). Cun thème différent relevant des sciences dehaque activité illustre l’ingénierie etne requière que du matériel peu coûteux pour aider les élèves dans leur exploration et leur permettre de résoudre des problèmes en concevant des objets. Réaliser ces activités permet de lutter contre les idées reçuessur l’ingénierie et les ingénieurs ainsi et d’accroîtrela participation des filles dans le domaine des sciences, de la technologie et del’ingénierie.
Démarche pédagogique du processus de conception technique. Approche pédagogique Chaque activité repose sur la démarche pédagogique du processus de conception technique, qui se décline en cinq étapes : se questionner, imaginer, planifier, créer etaméliorer. En mettant l’accent sur cette démarche, les enseignants encourageront le questionnement et la créativité de leurs élèves, pour développer des compétences de résolution de problème (par exemple, énoncer et tester des hypothèses, interpréter ses résultats et les évaluer). Les tâches et les défis ont été conçus de façon à être adaptables et éviter les situations de « bonnes réponses » et de compétition, pour ne pas démotiver certains élèves. Chaque activité a pour objectifs de développer le travail en groupe, le partager des idées, l’énoncé desbesoins en matière de connaissances, la recherche des solutions et l’améliorationdes prototypes construits.
Organisation des activités Chaque activité commence par une séquence 0, soit une leçon préparatoire commune aux 10 activités. Les enseignants qui choisiront de traiter plus d’une activité pourront commencer la première fois par la séquence 0 et enchaîner par la séquence 1 pour les activités suivantes. La séquence 1 introduit le contexte avec une histoire ou un problème à résoudre. La séquence 2 est focaliséesur l’explorationdu domaine scientifique permettant aux élèves de résoudre le problème. Dans la séquence 3, les élèves conçoivent et réalisent une solution. Enfin la séquence 4 permet d’évaluer,de présenter et de discuter le prototype réalisé par les élèves. Pour chaque activité, la duréede l’activité et les tranches d’âge sont indiquées dans l’introduction. Les activités sont flexibles, avec un choix d’à mener en fonction des compétences desactivités élèves. Aide pour les enseignants Chaque guide apporte un contenu scientifique, technique et pédagogique avec de nombreuses expériences et de compétences à acquérir par les élèves. Chaque séquence inclut des suggestions et des conseils pour aiderl’enseignant dans l’organisation de sa classe et à la préparation des activités. Les sciences et la réalisation des activités ont été illustrées par des photos. Les annexes contiennent des notes pédagogiquessur le contenu scientifique de l’activité, des fiches-activités pour les élèves et les réponses clés aux fiches activités.
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Sommaire
Introduction.................................................................................................................................................... 2Approche pédagogique ......................................................................................................................................2Organisation des activités ..................................................................................................................................2Aide pour les enseignants ..................................................................................................................................2Présentation de l’activité...........................................................................................................5.....................
Liste du matériel............................................................................................................................................. 6Séquence 0–Concevoir une enveloppe..........................................9................................................................0.1 Introduction– .....................................10Travail en groupe ou discussion en classe entière - 10 minutes0.2Qu’ est-ce qu’ une enveloppe ?- Travail en groupe - 5 minutes ..............................................................100.3 Associer des enveloppes à des objets–Travail en groupe et en classe entière– ...............1015 minutes0.4 Activité complémentaire et facultative - Travail en groupe - 30 minutes ..............................................110.5 Conclusion–En classe entière - 10 minutes ...........................................................................................11Séquence 1–Quel est le défi de l’ingénieur ?...............31................................................................................1.1Introduction - Le contexte et l’ histoire- Discussion en classe entière - 10 minutes ..............................141.2Qu’ est-ce qu’ un objet mécanique?–Travail en groupe–50 minutes ..................................................141.3Conclusion–En classe entière - 10 minutes ...........................................................................................15Séquence 2–Que devons-nous savoir ?....................................................................................................... 162.1Introduction–Rappel de la séquence précédente–Discussion en classe entière - 10 minutes ............172.2Que se passe- –t ’ il à l’ intérieur d’ un objet mécanique ?Travail en groupe–20 minutes.....................172.3Explorer les cames !–Travail en groupe - 80 minutes ...........................................................................172.4Explorer les engrenages !– ...................................................................17Travail en groupe - 80 minutes2.5Conclusion–Discussion en classe entière - 5 minutes ...........................................................................18Séquence 3–Il est temps de construire !......................................................................................................913.1Introduction–Rappel de la séquence précédente– - 10 minutes ..........20Discussion en classe entière3.2Jouets mécaniques–Travail en groupe - 80 minutes.............................................................................203.3Le compteur–Travail en groupe - 80 minutes .......................................................................................203.4Conclusion–Discussion en classe entière - 20 minutes ........................................................................21Séquence 4–Analyse de l’objet réalisé........................................................................................................ 224.1Introduction–Présentation de chaque réalisation–En classe entière - 30 minutes ...........................234.2Phase d’ améliorations –Travail en groupe–60 minutes .......................................................................234.3Conclusion–Discussion en classe entière - 10 minutes .........................................................................23Annexes......................................................................................................................................................... 24La démarche pédagogique “Engineering design cycle” (processus de conception technique)........................................42Histoire à raconter pour présenter le défi.......................25................................................................................................Fiche activité 1 Séquence 0- Ingénierie ou pas ? .............................................................................................27Fiche activité 1 Séquence 0 Correction - Ingénierie ou pas ?...........................................................................28Fiche activité 1 Séquence 1- Trouver un objet mécanique ..............................................................................293 This document is produced under the EC contract№288989 It is the property of ENGINEER Parties and shall not be distributed or reproduced without the formal approval
Fiche activité 1 Séquence 1 Correction - Trouver un objet mécanique ...........................................................30Fiche activité 1 Séquence 2 - Définis un objet mécanique...............................................................................32Fiche activité 1 Séquence 2 Correction - Définis un objet mécanique (le tire-bouchon).................................33Fiche activité 1 Séquence 2 Correction - Définis un objet mécanique (le vélo) ...............................................34Fiche activité 1 Séquence 2 Correction - Définis un objet mécanique (un jouet mécanique) .........................35Fiche activité 1 Séquence 2 Correction - Définis un objet mécanique (un jouet mécanique) .........................36Fiche activité 2 Séquence 2 - Les cames, c’ est parti ! (1/ 3)..............................................................................73Fiche activité 3 Séquence 2 - c’Les cames, (2/ est parti ! 3)..............................................93................................Fiche activité 3 Séquence 2 Correction -Les cames, (2/ 3) c’ est parti !....................................................40........Fiche activité 4 Séquence 2– est parti ! c’Les cames,(3/3) .............................................................................42Fiche de travail 4 Séquence 2 Correction - 3)Les cames, c’ est parti! (3/.................................................34........Fiche de travail 5 Séquence 2 -Les engrenages, est parti ! c’.........................................................................44..
Fiche technique pour l’enseignant sur la mécanique................................................................7......4................................
Les idées des élèves sur les concepts scientifiques de la mécanique...............................48................................................
Suggestion de réalisation d’un objet mécanique........................49....................................................................................
Partenaires....................................55................................................................................................................................
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Présentation de l’activité
Durée totale :6 heures et 40 minutes (400 minutes)
e e Niveau visé :élèves de cycle 3 et de 6 - 5 . Description :élèves se mettent dans la peau d’un ingénieurLes pour résoudre un défi. Ils découvrent les éléments fondamentaux de la Mécanique utilisés pour transmettre un mouvement et/ou le transformer. Ils manipulent des objets réels pour appréhender ces éléments (cames, leviers, engrenages…) et les utiliser comme des outils pour comprendre le fonctionnement des objets. Durant la résolution du défi, les élèves travaillent en groupe : ils discutent et présentent leurs idées, portent un regard critique sur chaque proposition. Ils utilisent du matériel simple, leur permettant de tester plus facilement leurs hypothèses et apprennent à dessiner des schémas techniques. Cette activité peut êtreune occasion d’intéresser l’élève à la science, quel que soit son niveau scolaire. Elle est accompagnée d’une histoire permettant d’expliciter le contexte du défi. L’évaluation de l’activité se fait sur la réalisation d’un objet qui fonctionne correctement.Programme scolaire abordé :les machines fabriquées par l’Homme.Domaine d’ingénierie abordé :la Mécanique. Objectifs pédagogiques : A la fin de l’activité, les élèves aurontappris à : décrire les différents mécanismes présents dans une machine ; sélectionner les « bons » éléments pour transmettre et transformer un mouvement ; dessiner des schémas ; appliquer le processus de conception technique ; construire un objet mécanique ; porter un regard critique sur leur production. Cette unité est composée de cinq séquences :
La séquence introductivepermet de prendre conscience à l’élève que l’ingénierie est présente dansson quotidien, et ce de manière très discrète.
La séquence 1introduit le défi de l’ingénieur à résoudre ainsi que son contexte : imaginer un compteur et/ou un jouet mécanique. Les élèves le définissent plus clairement etdécouvrent comment transmettre et transformer un mouvement mécanique.
La séquence 2 correspond à la partie « Se questionner » de la démarche pédagogiqueutilisée. L’enseignant peut soitexplorer les engrenages soit les cames. Le but de cette séquence est d’apporter aux élèves les connaissances nécessaires pour la réalisation de leur propre obj et mécanique.
La séquence 3permet d’appliquer la démarchepédagogique développée dans cette activité pour relever le défi. Les élèves peuvent s’inspirer de la suggestion (page 49), ou inventer un objet avec d’autres matériaux.
Dans la séquence 4,les élèves évaluentleur processus de création de l’objet mécanique, permettant à l’enseignant de vérifier s’ils ont été capables de remplir toutes les étapes.
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X
X
13 100
100 3 10
8
15 30 1 30 1
20
Boîtes en polystyrène Crayons Ficelle de cuisine Boîtes en carton Cutter pour l’enseignant (non nécessaire) Bouchon en liège Carton Pâte à modeler Feuilles de papier
X X
X
30 20
30 20
Bâton de colle Patafix Pics à brochette Pailles Scotch Paquets de post-it Lot de 5 enveloppes différentes Pistolet à colle Vrille (ou tire-
Séquence 4
30
1 5
Liste du matériel La liste du matériel a été établie sur une base de 30 élèves. 1.Matériel indispensable Quantité Séquence 0 Séquence 1 totale Ciseaux 30 30 1 40
Séquence 3
Séquence 2
30 30
50
1
30
5 30
3 40
30
30
10
8
30
15
30 ½
15
15
1
15
10
X
X X
X
X
1
15
10
15 30 ½
X
X X
5
1 5
1
5 30
20
5
30
Un cartable 1 Un jouet 1
Un parapluie
1 1 2
1 1 2
1
Ciseaux Crayons et stylos
4
4
1
1
1 1
1
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Une lampe de1 1 bureau avec un mécanisme visible L’enseignantapporter des objets non mécaniques, par exemple un ballon, u ne chaussure, un livre,peut aussi une bougie, une fourchette, etc.
1
Un rouleau à pâtisserie Un tire-
1
Appareil 1 ue
Un jouet de 1 grue Un camion de 1 pompier en
Séquence 1 Séquence 2 Séquence 3 Séquence 4 1 1
1
1
1
2.Matériel utile pour les démonstrations 0Quantité Séquence totale Un vélo 1 e 1
1
4
1
3. Matériel optionnel Si l’enseignantapporte ce matériel, la discussion avec les élèves en sera plus intéressante. Quantité SéquenceSéquence 0 Séquence 1 Séquence 2 3 totale Une machine 1 1 à écrire Un 1 1 microscope Une machine 1 1 à coudre Une 1 1 essoreuse à
Un
batteur
1
Kits de 10 kits constructions (suggestion: Celda ou Lego)
1
10 kits
Séquence 4
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Séquence 0–Concevoir une enveloppe Qu’est-ce que l’ingénierie?Durée :40 minutes suivies de 10 à d’activités complémentaires minutes3 0Objectifs: Dans cette séquence les élèves vont apprendre que :Les ingénieurs recherchent des solutions à des problèmes en utilisant de nombreuses t echnologies. Les technologies appropriées pour résoudre un problème dépendent du contexte et du matériel . Les objets réalisés sont conçus pour résoudre des problèmes précis. peuvent être des hommes et des femmes.Les ingénieurs Matériel (pour 30 élèves)Pour les activités complémentaires : 8 paquets de post-its 8 lots d’emballages8 lots de d’enveloppes différent5 typesesu carton D 8 lots de 5 objets différentsDu pa pier 30 fiches activités n°1 (p.27) De la colle Des ciseaux Préparation. Avant l’activité, l’enseignant doit:OrganisationCollecter les enveloppes et les emballagesEn groupe de travail Collecter des images pour l’introductionEn classe entière Contexte Cette séquence est la même pour chaque activité et vised’une part à réfléchir sur la technologie etd’autre part àlutter contre les stéréotypes sur les ingénieurs associés au genreet à l’ingénierie.
Elle a pour but de montrer que chaque objet est conçu pour une raison particulière. Les élèves y réfléchissent en discutant comment réaliser un objet les amènent à résoudre un problème. Dans cette séquence, ils travailleront particulièrement sur les technologies nécessaires pour réaliser une enveloppe dans un but particulier.
Cette séquence vise à éviter les jugements de valeurs concernant la « haute technologie » ou la « basse technologie » et à encourager les élèves à reconnaître que la technologies’adapte à toutcontexte et déterminant ainsi celle quel’ingénieur va utiliser pour résoudre le problème.
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0.1 Introduction–Travail en groupe ou discussion en classe entière - 10 minutes L’enseignant partagela classe en quatre groupesd’élèves et donneun paquet de post-it à chaque groupe. Les élèves réfléchissent et notent les mots qui leur viennent à l’esprit lorsqu’ilsentendent les mots « ingénierie » et « technologie ». L’enseignant doit s’assurerque chaque élève du groupe note au moins une idée sur un post-it. Puis chaque grouped’élèves placesur un tableau ou sur une feuille blanche et explique leurs post-it brièvement leurs choix. Nous suggérons à l’enseignant de garder ces mots pour en rediscuter à la fin de la séquence. Il peut aussi en faire une carte conceptuelle. Une aide pour mener la discussion L’enseignant peut aussiapporter des images montrant des stéréotypesde l’ingénierie etdemander aux élèves de distinguer les images qui traitent del’ingénierie.Les élèves peuvent travailler en binôme pour partager leur s idées et discuter des similarités et des différences.L’enseignant peut utiliser ces idées comme base de discussion avec la classe entière.0.2Qu’est-ce qu’uneenveloppe ? - Travail en groupe - 5 minutes Les élèves organisés en petit groupes discutentde ce qu’est une enveloppe et qu’est-ce qui en fait une enveloppe. Pour aider ses élèves,l’enseignant peut ramener différents exemplaires qui recouvrent et/ou protègent des objets ou du matériel (voir les photos ci-dessous).
le enveloppe. Sur les photos, certains exemples illustrent divers usages des enveloppes : « contenir », « protéger », « tenir en place », « recouvrir », « cacher » ou même « révéler » des objets différents.
0.3 Associer des enveloppes à des objets–Travail en groupe et en classe entière–15 minutes L’enseignant partage sa classe en quatregroupesd’élèves et proposeun large choix d’enveloppes et d’objets qui peuvent êtremis dans l’enveloppe. Il demande aux élèves de sélectionner les enveloppes adaptées à chaque objet et de justifier leur choix.
Les objets peuvent être des billets de spectacle, un certificat ou une photographie qui ne doit pas être plié, un morceau de bijou, un DVD, des papiers confidentiels, une paire de ciseaux.
Les questions suivantes peuvent guider la discussion : En quel matériel est faite cette enveloppe ?
?Quel moyen de fermeture est utilisé dans cette enveloppe Pour quel domaine ou type d’objet,cette enveloppe peut-elle être utilisée ? enveloppe ?Avec quels autres matériaux pourrait être faite cett e
Chaque groupe doit justifier ses idées et les présenter à la classe.
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L’enseignantengager une discussion sur les différentes technologiques utilisées pour chaque enveloppepeut (types de structures, fermetures et collages utilisés, par exemple : réutilisable ou collage permanent, zones renforcées, du matériel interne ou extérieur utilisé, le type de fermeture).
Cette activité est liée au processus de conception technique : la discussion peut inclure la réflexion sur ce processus dans lequel les ingénieurss’impliquent pour réaliser des prototypes et résoudre un problème particulier.
0.4 Activité complémentaire et facultative - Travail en groupe - 30 minutes L’enseignantprésente à ses élèves un grand choixd’enveloppes etleur demande de les évaluer en termes d’aptitudeen fonction du but recherché (voir la photo ci-dessous).
Les enveloppes peuvent être comparées selon le type de fermeture et de renforcement utilisés, ou le mélange de différents matériels utilisés ( par exemple : papier bulle, pouvoir absorbant, résistance contre les déchirures).
Cette activité peut être approfondie en analysant les différents types d’emballageet la façon dont ils sont utilisés pour réduire (ou éliminer) le besoin de colle ou d’adhésif dansle procédé de fabrication. Les trois photos suivantes montrent que certain emballage n’utilise forme aucune d’adhésif.
Les élèves travaillent en groupepour réaliser une enveloppe dans le but d’envoyer un objet choisi. Chaque groupe devra faire appel à ses connaissances sur les matériaux et la procédure de réalisationd’une enveloppe. Leur fabrication sera ensuite évaluée lors d’une discussion en classe entière.
0.5 Conclusion–En classe entière - 10 minutes
L’enseignant rapportede la séquence et demande à sesles post-its avec les idées des élèves notées au début élèves si leur vision a changé. Les élèves réfléchissent surce qu’un ingénieur fait et sur ce qu’estla technologie.
L’enseignant peut: le fait que la plupart des choses queMettre l’accent sur nous utilisons sont faites pour un but précis et que les ingénieurs utilisent diverses compétences pour résoudre des problèmes. Réfléchir sur les solutions pour résoudre des problèmes : certainstravaux sont moins réussis et c’est pourquoi le processus d ’amélioration.e conception technique inclut une étape d’évaluation et dOter l’idée d’une ou « haute »d’une« basse » technologie maisparler d’une technologie appropriée au problème. Les ingénieurs doivent prendre en compte le contexte et les ressources .
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