Ci-dessus : image de Parlons sciences

Mise en contexte

Habiletés et connaissances acquises antérieurement

Pour participer de façon efficace à cette activité « Concevoir et construire », les élèves doivent être en mesure d’effectuer des observations, de faire des prédictions et de prendre des décisions ainsi que de résoudre des problèmes et de comprendre les concepts de la position relative et du mouvement.

Contexte

La construction d’un circuit à billes est un moyen efficace pour étudier les concepts de la position relative et du mouvement. C’est également une excellente occasion de faire participer des élèves de tous âges à un défi d’ingénierie amusant. Lorsque les élèves étudient les défis liés à la construction, les problèmes de conception, les principes de physique et les problèmes d’ingénierie qu’ils rencontrent pendant la création du circuit à billes, ils utilisent aussi intuitivement le processus de conception technique.

Cette enquête pourrait partir :

  • Circuit à billes acheté en magasin
    Source: Erkaha, Wikimedia Commons

    Des questions ou commentaires en lien avec les observations que les élèves font pendant qu’ils examinent et jouent avec des billes et des rampes. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • « Que remarquez-vous lorsque la bille arrive au bout de la rampe? Comment pourriez-vous éviter cela? »
    • « Qu’arrive-t-il à la bille si vous élevez la rampe? Et si vous l’abaissez? »
    • « Comment pouvez-vous faire en sorte que la bille monte une pente? »
  • De l’étude d’un circuit à billes acheté en magasin. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • « Quelles parties du circuit à billes font descendre la bille? Quelles parties la font monter? »
    • « Comment la bille change-t-elle de direction? »
    • « La bille réussira-t-elle à rouler du début à la fin du parcours? », « Selon vous, pourquoi? »
    • « Comment pouvons-nous modifier la conception afin de permettre à la bille de se déplacer plus vite? »
  • Du visionnement de vidéos au sujet des montagnes russes, par exemple :

Critères de conception

En groupe, les élèves réfléchissent aux critères que leurs prototypes doivent respecter. Les enseignants peuvent choisir d’ajouter d’autres critères propres au programme d’études, comme utiliser des systèmes d’assemblage ou de fixation, mesurer, utiliser de l’argent pour acheter des matériaux, etc.

Exemples de critères de conception :

  • Vous devez utiliser les matériaux disponibles.
  • Vous devez dépenser au minimum 5 $ et au maximum 10 $ pour acheter vos matériaux.
  • Vous devez utiliser au moins deux différents systèmes d’assemblage ou de fixation.
  • Le circuit doit être autoportant.
  • Il doit contenir un minimum de trois changements de direction (gauche-droite, haut-bas).
  • Il doit contenir au moins un croisement des voies, à au moins 5 cm au-dessus des rails.
  • La bille doit s’arrêter totalement à la fin du parcours.

Matériel et préparation (Click to Expand)

Matériaux qui peuvent servir à construire un circuit à billes
Source : Parlons sciences

Matériel :

  • Assiettes assorties (p. ex., en papier, en mousse de polystyrène, en aluminium)
  • Bâtonnets de bois
  • Billes en verre (une par groupe d’élèves)
  • Caisse enregistreuse jouet (facultative)
  • Ciseaux pour enfants (une paire par groupe d’élèves)
  • Cure-pipes
  • Élastiques de diverses tailles
  • Feuille d’aluminium
  • Ficelle
  • Isolant pour tuyaux (3/4 po de diamètre, 3-4 pi de longueur) (facultatif)
  • Pailles (à boire)
  • Papier cartonné
  • Papier de bricolage
  • Pâte à modeler
  • Pinces à linge, petites
  • Règle à mesurer, 30 cm (12”) (une par groupe d’élèves)
  • Rouleaux en carton
  • Ruban-cache
  • Tasses assorties, petites (p. ex., en papier ou en mousse de polystyrène)
  • Trombones

Préparation :

  • Amassez divers matériaux trouvés ou recyclés que les élèves pourront utiliser. Les matériaux énumérés ci-dessus ne sont que des suggestions.
  • Déterminez les quantités nécessaires de matériaux pour chaque groupe et préparez-les.
  • Option : Fournissez aux élèves un montant fixe d’argent fictif et préparez une zone de « marché » où les élèves peuvent « acheter » leurs matériaux. Cet aspect peut faire partie des critères de conception (p. ex. vous devez dépenser au moins 5 $ et au plus 10 $.)

Quoi faire

Les élèves développent les habiletés « comparer ou différencier » et « prédire », tandis qu’ils découvrent les propriétés des matériaux qui influencent le mouvement d’un objet.

Les élèves :

    Circuit à billes construit par des élèves
    Source : Birkanil, Wikimedia Commons

  • identifient le problème à résoudre.
  • réfléchissent ensemble aux critères que leur prototype doit respecter.
    • L’enseignant présente l’affiche « Explorer et investiguer » afin d’encourager les questions des élèves au sujet des circuits à billes.
  • partagent leurs questions et leurs idées.
  • font des observations à propos des matériaux disponibles
  • utilisent la liste des prix/coûts suggérés afin de choisir les matériaux qu’ils utiliseront.
  • dessinent des ébauches de leur prototype basées sur les critères de conception.
  • conçoivent et construisent un prototype en se basant sur leurs dessins.
  • testent le prototype.
  • modifient le prototype et le retestent en fonction des critères de conception.

Évaluation

Circuit à billes
Source : Parlons sciences

Observez et consignez, à l’aide de commentaires annotés, de photos ou de vidéos, la capacité des élèves à :

  • Travailler en équipe – Les élèves collaborent afin d’exécuter une tâche et évaluent le fonctionnement de leur groupe tout au long du processus de conception.
  • Observer – Les élèves observent les mouvements de la bille pendant qu’ils testent le prototype de circuit à billes (p. ex. « La bille monte la pente et maintenant elle descend la rampe. »).
  • Prédire – Les élèves prédisent comment la bille se déplacera sur le circuit à billes et suggèrent des façons de changer la forme du circuit si la bille ne se déplace pas comme prévu.
  • Comparer ou différencier – Les élèves comparent ou différencient les matériaux et les objets afin de choisir lesquels utiliser.

Co-construction des connaissances

Les élèves :
– parler, faire et représenter

Les éducateurs :
– interagir en répondant et en questionnant

Les élèves échangent et consignent leurs idées de critères de conception du circuit à billes.

  • « Quels critères de conception votre prototype doit‑il respecter? »
  • « Quelles forces agissent sur votre bille pour la faire bouger (p. ex. la gravité)? »
  • « Quelle force ralentira votre bille (c.-à-d. le frottement)? »
  • « Comment ferez-vous pour que la bille monte, descende et contourne les coins? »

Les élèves font des observations concernant les matériaux disponibles.

  • « Comment avez-vous décidé quels matériaux utiliser? »
  • « Comment les critères de conception ont‑ils influencé vos décisions? »
  • « Qu’est-ce qui vous a fait choisir les matériaux que vous avez choisis? »

Les élèves comparent ou différencient les matériaux afin de choisir ceux qu’ils utiliseront.

  • « Certains matériaux sont‑ils plus solides que d’autres? Où devez‑vous installer des pièces solides dans le circuit à billes? »
  • « Existe-t-il des matériaux qui permettent de bien contourner les coins? Pourquoi, selon vous? »

Les élèves conçoivent, construisent et testent un prototype de leur circuit à billes.

  • « Comment le plan de conception de votre circuit à billes respecte-t-il les critères de conception? »
  • « Quels systèmes d’assemblage ou de fixation avez-vous utilisés? Pourquoi? »
  • « La bille se déplace-t-elle comme prévu? Pourquoi ou pourquoi pas? »

Les élèves font connaître leurs idées à la classe.

  • « Comment le plan de conception de votre circuit à billes respecte-t-il les critères de conception? »
  • « Comment les membres de votre équipe ont-ils collaboré pour résoudre le problème? Quels ont été les défis associés au travail d’équipe? »
  • « En quoi votre circuit à billes ressemble-t-il à ceux de vos collègues? Quelles sont les différences? Selon vous, pourquoi? »

Les élèves testent le prototype en fonction des critères de conception.

  • « Comment allez-vous tester votre circuit à billes? »
  • « Le prototype de votre circuit à billes résout-il le problème? »
  • « Quels défis votre groupe a-t-il dû surmonter? »
  • « Comment les avez-vous surmontés? »

Les élèves modifient leur prototype et le retestent en fonction des critères de conception.

  • « Quelles sont vos suggestions pour repenser ou modifier votre prototype dans le but de l’améliorer? »

Liens interdisciplinaires

Littératie

  • Lancer des idées, communiquer, questionner, représenter, travailler en équipe

Pensée mathématique

  • Dénombrement, mesure, raisonnement spatial, enchaînement, sens de l’argent

Arts visuels

  • Modéliser, représenter, dessiner

Circuit à billes
Source : Parlons sciences

Enrichissement

Si vos élèves souhaitent en apprendre plus, voici quelques pistes pour stimuler leur curiosité :

  • Concevoir et construire un autre circuit à billes qui permet des mouvements dans plusieurs directions (haut et bas, gauche et droite, au-dessus et en dessous). Les assiettes en carton produisent de bonnes surfaces courbes!
  • Concevoir et construire un prototype de montagnes russes.