Ci-dessus : Une catapulte au château Saint-Ange, en Italie (photo : jacmac34 via Pixabay)

Mise en contexte

Habiletés et connaissances antérieures

Pour participer efficacement à ce défi Concevoir et construire, les élèves doivent être capables d’utiliser des outils de découpage et des fixations de base. Il est vivement recommandé que les élèves possèdent des connaissances et des habiletés liées à l’utilisation de machines simples avant de commencer.

Contexte

Tout au long de l’histoire, les êtres humains ont cherché des moyens de faire passer des objets par-dessus des obstacles. Pour cela, ils ont souvent eu recours à des dispositifs permettant de projeter l’objet dans les airs par-dessus l’obstacle. Ainsi, au Moyen-Âge, des gens ont mis au point des dispositifs appelés « catapultes ». Il existe différents types de catapultes, comme le mangonneau (le point d’appui se situe à une extrémité du bras et la force est appliquée en exerçant une tension sur le bras) et le trébuchet (le point d’appui se situe au milieu du bras et la force est appliquée par un contrepoids situé à l’extrémité du bras). Dans ce type de dispositifs, la force est transférée au moyen d’un système mécanique afin de projeter un objet, comme un rocher (ou une citrouille), très haut et très loin.

Le présent défi Concevoir et construire offre aux élèves la possibilité de prédire l’influence qu’a une force donnée sur la distance parcourue par un objet, et de comparer comment des forces de différentes magnitudes permettent de projeter des objets à différentes distances. Les élèves travailleront en équipe et développeront les habiletés « concevoir et construire » afin de créer et de tester, en toute sécurité, un dispositif utilisant des machines simples pour lancer une balle de ping-pong : a) le plus loin possible, ou b) par-dessus un obstacle comme un filet de badminton ou de volleyball.

Préparation d’un trébuchet en vue du lancement d’une charge
Source : cg2, Pixabay

Ce défi Concevoir et construire pourrait partir :

  • des questions ou des commentaires émis par les élèves après avoir vu des images de dispositifs tels que les catapultes et trébuchets utilisés autrefois. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • « Selon vous, à quoi ces dispositifs servaient-ils? Comment leurs constructeurs pouvaient il savoir qu’ils seraient efficaces? »
    • « Selon vous, comment fonctionne ce dispositif? Quelles machines simples utilise-t-il pour remplir sa fonction? »
    • « Selon vous, comment fonctionne ce dispositif? Quelles machines simples utilise-t-il pour remplir sa fonction? »
  • des questions ou commentaires émis par les élèves après le visionnement de vidéos montrant des catapultes ou des trébuchets contemporains (p. ex., vidéos d’une catapulte à citrouilles sur YouTube).

    Un trébuchet à citrouilles utilisé à l’édition 2008 du championnat mondial de lancer de citrouilles
    Source : GB fan, Wikimedia Commons

    • « Quel type de force permet de projeter la citrouille? »
    • « Selon vous, qu’arriverait-il à la citrouille si on exerçait une force plus grande sur le dispositif? »
    • « Comment pourriez-vous mesurer l’intensité de la force qui est exercée? »
  • d’une sortie organisée pour assister à un évènement (p. ex., une fête médiévale ou un concours local de lancer de citrouilles) comprenant des démonstrations de catapultes.

Critères de conception

Ensemble, les élèves de la classe proposent des idées de critères que leur prototype de lanceur de balles de ping-pong doit respecter. Les éducateurs peuvent décider d’ajouter d’autres critères propres au programme d’études, comme utiliser des types ou un nombre précis de fixations, mesurer ou employer des matériaux spécifiques, etc.

Exemples de critères de conception :

  • Le dispositif doit projeter la balle par-dessus un filet de badminton OU le plus loin possible.
  • Le dispositif doit comprendre au moins deux types différents de machines simples.
  • Il faut utiliser trois systèmes d’assemblage ou de fixation.
  • Le dispositif doit pouvoir être réglé de manière à modifier le lieu d’atterrissage de la balle (ajustement de la hauteur du lanceur).
  • Il faut dépenser au minimum 5 $ et au maximum 10 $ pour acheter les matériaux.

Matériel et préparation (Click to Expand)

Matériel :

  • Tubes et boîtes en carton de diverses tailles
  • Bâtonnets de bois
  • Gobelets assortis, petits (p. ex., en carton ou en polystyrène)
  • Bandes élastiques de diverses tailles
  • Matériel de fixation (ruban adhésif, colle, etc.)
  • Papier (de bricolage, cartonné, etc.)
  • Trombones
  • Balles de ping-pong (une par groupe)
  • Cure-pipes
  • Ciseaux (une paire par groupe)
  • Pailles (à boire)
  • Ficelle
  • Ruban-cache
  • Lunettes de protection

Préparation :

  • Rassemblez divers matériaux neufs et recyclés que les élèves utiliseront pour construire leur prototype. La liste de matériaux ci-dessus n’est fournie qu’à titre indicatif.
  • Établissez la quantité de matériaux requise pour chaque groupe de travail et organisez les matériaux.
  • Option : Donnez aux élèves une somme d’argent fictif qu’ils utiliseront pour « acheter » leurs matériaux dans un espace « magasin » prévu à cet effet. Cela peut faire partie des critères de conception (p. ex., vous devez dépenser au minimum 5 $ et au maximum 10 $ pour acheter vos matériaux).
  • Choisissez un vaste espace ouvert (p. ex., le gymnase ou l’extérieur) pour mener les tests. Demandez aux élèves de porter des lunettes de protection.

Quoi faire

Les élèves développent et mettent en pratique les habiletés « concevoir et construire » en concevant, construisant et testant un prototype de lanceur de balles de ping-pong.

Modèle de trébuchet dit « loup de guerre », utilisé pour le siège du château de Stirling
Source : Ron L. Toms, Wikimedia Commons

Les élèves suivent les étapes du processus Concevoir et construire :

  • ils identifient le problème à résoudre ou le besoin à satisfaire;
  • ils font un remue-méninges pour déterminer les critères que le prototype doit respecter;
  • ils partagent leurs questionnements et idées de solution au problème ou au besoin;
  • ils discutent des avantages et inconvénients de chaque solution envisagée afin de choisir celle qu’ils testeront;
  • ils imaginent à quoi la solution pourrait ressembler et produisent des croquis de ce qu’ils visualisent;
  • ils élaborent un plan de conception (p.ex. déterminer les tâches ou les principales étapes nécessaires à l’élaboration de la solution, choisir les outils et les matériaux nécessaires, inclure des croquis annotés);
  • ils construisent/élaborent leur idée de prototype à partir du plan de conception;
  • ils vérifient si leurs prototypes répondent aux critères de conception;
  • au besoin, ils modifient le prototype et vérifient à nouveau s’il répond aux critères;
  • ils réfléchissent au résultat obtenu et établissent ce qui pourrait être fait pour améliorer leurs prototypes.

Évaluation

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

  • Travailler en équipe – Les élèves travaillent en équipe pour réaliser une tâche et ils évaluent le fonctionnement de leur groupe tout au long du processus Concevoir et construire.
  • Rechercher des idées – Les élèves utilisent des stratégies de recherche d’idées, comme le remue-méninges, afin d’identifier les solutions possibles, et ils prennent des décisions en se fondant sur les avantages et les inconvénients de chacune.
  • Communiquer – Les élèves utilisent des mots, des dessins, des photos ou des vidéos pour communiquer leurs idées et leurs connaissances lorsqu’ils identifient les problèmes, effectuent des recherches, élaborent des plans de conception et discutent des solutions.
  • Travailler en toute sécurité – Les élèves font preuve de prudence lorsqu’ils manipulent divers outils et matériaux pour construire leur prototype.
  • Réfléchir – Les élèves réfléchissent aux résultats des tests de leur prototype et proposent des changements qui pourraient l’améliorer.

Co-construction des connaissances

Les élèves :
— parler, faire et représenter

Les éducateurs :
— interagir en répondant et en questionnant

Les élèves identifient et affinent le problème à résoudre ou le besoin à satisfaire.

  • « Que savez-vous à propos des balles de ping-pong et de la manière dont elles se déplacent? »
  • « À quoi sert votre dispositif? »

Les élèves proposent des critères auxquels le lanceur de balles de ping-pong doit répondre, et ils les consignent.

  • « Quels mots pourriez-vous utiliser pour décrire certaines des caractéristiques que devrait posséder votre lanceur pour être efficace? »
  • « Comment la force sera-t-elle exercée sur la balle? »

Les élèves imaginent à quoi la solution pourrait ressembler et produisent des croquis sur la base de ce qu’ils visualisent.

  • « Pourquoi les ingénieurs identifient-ils chaque partie de leurs croquis? »
  • « Comment allez-vous représenter chaque partie du lanceur sur votre croquis? »
  • « Comment ferez-vous pour vous assurer que votre lanceur peut être utilisé sans danger? »

Les élèves examinent les outils et les matériaux disponibles et font leurs choix.

  • « Quels matériaux seraient utiles pour construire votre lanceur? »
  • « De quels outils pourriez-vous avoir besoin pour construire votre lanceur? »

, Les élèves construisent ou élaborent leur idée de solution et la testent en se basant sur leurs croquis et leur plan de conception  (créent le « prototype »).

  • « Votre lanceur fonctionne-t-il comme prévu? Pourquoi? »
  • « Quels changements pourrez-vous apporter à votre prototype pour qu’il lance la balle plus haut ou plus loin? »

Si nécessaire, les élèves modifient leur prototype et le testent de nouveau pour vérifier qu’il réponde aux critères de conception.

  • « Quels problèmes avez-vous rencontrés quand vous avez retesté votre lanceur? »
  • « Quels changements pourraient rendre votre lanceur plus précis? »
  • « Que changeriez-vous dans la conception du lanceur pour qu’il soit plus facile à utiliser? »

Les élèves réfléchissent aux résultats de leurs tests et déterminent ce qui pourrait être fait autrement une prochaine fois.

  • « Quels matériaux ont donné les meilleurs résultats? Lesquels n’ont pas vraiment bien fonctionné? »
  • « Avez-vous rencontré des difficultés pour travailler en équipe sur cette activité? Lesquelles? »
  • « Que ferez-vous différemment la prochaine fois? »

Liens interdisciplinaires

Littératie

  • Poser des questions (p. ex., « Qu’est-ce qui vous a surpris à propos de votre dispositif? », « Quel rôle a joué ce type de dispositif dans le passé? », « Pour quels types de tâches ce genre de dispositif pourrait-il être utile? »).
  • Communiquer des pensées, des sentiments et des idées (p. ex., pendant le remue-méninges pour établir les critères du lanceur, dans le plan de conception comprenant des croquis en deux dimensions, dans la description des principales étapes ou tâches de conception et dans les listes de matériaux, d’équipement ou d’outils nécessaires; en discutant pour trouver des solutions aux défis de construction).
  • Accéder à de l’information provenant de diverses sources (p. ex., livres, vidéos, expériences personnelles).

Raisonnement mathématique

  • Représenter des objets au moyen d’images, de diagrammes, de graphiques, de tableaux, de nombres, de mots ou de symboles (p. ex., réaliser des croquis montrant comment faire pour que le lanceur réponde aux critères établis; consigner dans des tableaux les résultats des tests et les modifications apportées au lanceur).
  • Mesurer la distance parcourue horizontalement et/ou verticalement à l’aide d’unités de mesure conventionnelles et non conventionnelles.

Enrichissement

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

Balle, raquette et filet de ping-pong
Source : megagepixelt, Pixabay

  • Encouragez vos élèves à utiliser les connaissances et les habiletés qu’ils ont développées pendant ce défi pour résoudre un problème de la vie réelle, comme de créer :
    • un lanceur automatique de balles de ping-pong
    • un lanceur qui envoie la balle sur une table de ping-pong
    • un lanceur qui envoie en continu des balles dans un seau
    • un lanceur qui envoie un jouet qu’un chien pourra aller chercher
  • Discutez avec les élèves des adaptations qu’ils pourraient apporter à leur lanceur afin de le faire projeter d’autres objets (balles de tennis, ballons de basket, citrouilles, etc.).
  • Offrez aux élèves la possibilité de présenter leur lanceur à un groupe de « juges » (enseignants, élèves des classes supérieures ou membres de la communauté) comme dans l’émission « Dans l’œil du dragon ». Les machines pourraient être jugées selon leur originalité, leur coût (si les élèves ont utilisé de l’argent fictif), leur fonction (p. ex., lancer un jouet pour chien), leur précision, etc.