Tamis en bois (Photo via Pixabay)

Mise en contexte

Habiletés et connaissances antérieures:

Pour participer à ce défi Concevoir et construire, les élèves devraient être capables de manipuler des outils et matériaux de découpage et d’assemblage simples (p. ex. ruban-cache, ruban adhésif, ruban d’emballage, cure-pipes). Il est recommandé que les élèves réalisent l’enquête « De quoi le sol est-il composé ? » avant de se lancer dans ce présent défi.

Contexte:

Un tamis est un outil servant à séparer les particules d’une substance selon leur taille. Le sol étant composé de particules de pierre de différentes tailles, il peut parfois être utile de séparer les sols, afin de les utiliser pour différentes fonctions. Il est plus facile de planter des graines et des semis et d’arracher les mauvaises herbes si la terre du jardin compte peu de cailloux. Les produits de construction comme le ciment et le coulis sont créés en combinant différents ingrédients provenant du sol. Le ciment, par exemple, est un mélange de sable, de gravier et de ciment Portland (un mélange de minéraux et de pierres finement moulus).

Tamiseurs de farine
(Photo de Shliphmash via Wikimedia Commons)

L’élaboration d’un plan de conception est un élément important du processus de conception. Un plan de conception intègre différentes habiletés issues de différents domaines du programme d’études. Par exemple, les élèves vont devoir communiquer par oral (avec les autres membres du groupe) et par écrit (afin de noter les différentes étapes du plan). Ils vont devoir utiliser des habiletés de raisonnement logique afin de décrire, dans l’ordre, les étapes à suivre pour créer leur prototype. Ils vont devoir prendre des décisions judicieuses et réfléchies quant aux matériaux et aux systèmes d’assemblage à utiliser pour construire un produit. Ils vont devoir s’appuyer sur leurs habiletés d’art visuel afin de réaliser des croquis de leur prototype, à la main ou à l’aide d’un logiciel informatique. Élaborer un bon plan de conception prend du temps, mais celui-ci aide tous les membres du groupe à connaître leur objectif et à savoir comment le réaliser.

Les élèves élaborent un plan de conception (p.ex, les étapes de création d’un prototype, les décisions quant aux outils et matériaux).

Dans ce défi Concevoir et construire, les élèves conçoivent et construisent un tamis à sol capable de séparer un mélange de sol en particules d’au moins trois tailles différentes.

Divers sachets de thé
(Photo de Skitterphoto via Pexels)

Ce Concevoir et construire pourrait partir:

  • De la présentation de passoires et de tamis courants (p.ex. tamiseur de farine, passoire, égouttoir, passe-thé, filtre à café en métal, etc.). Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • Qu’ont en commun tous ces objets? En quoi se différencient-ils? Pourquoi ces différences sont-elles importantes ?
    • Qui pourrait utiliser ces outils, et dans quel but ?
  • De l’observation de photos d’outils qui servent à séparer. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • Qu’ont en commun ces outils? En quoi se différencient-ils?
    • À votre avis, quels types de matériaux ces outils peuvent-ils séparer? Est-ce que certains sont plus appropriés pour séparer un état de matière (p.ex. les solides) que d’autres ? Pourquoi pensez-vous cela ?

Critères de conception:

Ensemble, les élèves de la classe font un remue-méninges afin de définir les critères que les prototypes de tamis à sol devront respecter. Les éducateurs peuvent choisir d’ajouter d’autres critères propres au programme d’études, comme utiliser des systèmes de fixation ou d’assemblage, mesurer, employer des matériaux spécifiques, mesurer des forces, etc.

Exemples de critères de conception:

  • Le système de tamis doit séparer le sol en trois portions, selon la taille des particules qui le forment
  • Le tamis doit être construit avec les matériaux fournis

Matériel et préparation (Cliquez)

Matériel:

  • Mélange de sol – environ 500 ml par groupe
  • Assortiment de passoires, petits paniers en plastique, filtres, filets en plastique
  • Bâtonnets en bois
  • Pailles
  • Attaches (p.ex. ruban-cache, ruban adhésif, ruban d’emballage, cure-pipes)
  • Ciseaux
  • Papier journal et/ou nappes en plastique

Préparation:

  • Rassemblez les matériaux que les élèves utiliseront pour construire le système de tamis. La liste de matériaux ci-dessus est fournie à titre indicatif seulement.
  • Les élèves peuvent soit tous recevoir les mêmes outils et matériaux, soit choisir eux-mêmes le matériel à utiliser.
  • Travailler avec de la terre est salissant. Pensez à collecter des journaux pour en recouvrir les tables ou à utiliser des nappes en plastique, afin de faciliter le nettoyage à la fin de l’activité.

Quoi faire

Les élèves développent des habiletés de conception et de construction en concevant, construisant et testant un prototype de tamis à sol.

Les élèves suivent les étapes du processus Concevoir et construire:

Concevoir sur le papier
(Photo via Pexels)

  • ils identifient le problème à résoudre ou le besoin à satisfaire;
  • ils font un remue-méninge 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 de leurs croquis et de leur plan de conception;
  • ils testent leurs prototypes et vérifient qu’ils 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 - réaliser une tâche et évaluer le fonctionnement du groupe tout au long du processus Concevoir et construire.
  • Générer des idées - utiliser des stratégies de génération d’idées, comme le remue-méninges, afin de recenser les solutions possibles, et prendre des décisions en se fondant sur les avantages et les inconvénients de chaque solution.
  • Communiquer - par le biais de mots et d’autres moyens de communication, réaliser des plans de conception intégrant des croquis en deux dimensions, les étapes-clés de la conception, des listes des matériaux et des outils/équipements nécessaires
  • Travailler en toute sécurité - avec différents outils et matériaux pendant la construction/création du prototype
  • Réfléchir - aux résultats des tests du prototype et proposer des améliorations

Co-construction des connaissances

Les élèves:
parler, faire et représenter

Les éducateurs:
interagir en répondant et en questionnant

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

  • « Que doit faire le tamis ? »
  • « Comment fonctionnent la plupart des tamis et passoires ? »

Les élèves lancent des idées de critères que le tamis devra respecter et les consignent.

  • « Quels mots pourrions-nous utiliser pour décrire certaines des caractéristiques que doit présenter le tamis à sol pour être efficace ? »
  • « Combien de tailles de particules pouvons-nous séparer avec les matériaux disponibles ? »

Les élèves examinent les outils et matériaux disponibles et décident lesquels utiliser.

  • « De quels outils pourriez-vous avoir besoin pour construire le tamis à sol ? »
  • « Quels matériaux vont le mieux permettre de tamiser ? »
  • « Comment peut-on combiner ces matériaux afin d’obtenir un système capable de tamiser le sol en particules de trois tailles différentes ? »

Les élèves visualisent le prototype et en font des croquis.

  • « Pourquoi les ingénieurs identifient-ils chaque partie de leurs croquis? »
  • « Comment allez-vous représenter les différentes parties du tamis dans votre croquis ? »

Les élèves préparent un plan de conception (p.ex., identifient les étapes-clés du développement de la solution, prennent des décisions quant aux outils et matériaux nécessaires et y intègrent des croquis annotés).

  • « De quels matériaux allez-vous avoir besoin ? »
  • « Comment allez-vous déterminer l’ordre des étapes à suivre pour construire un prototype de tamis à sol ? »
  • « En quoi votre croquis annoté va-t-il vous aider à élaborer votre plan de conception ? »

Les élèves construisent et testent un prototype de tamis à sol.

  • « Le tamis fonctionne-t-il comme prévu ? Comment le savez-vous ? »
  • « Comment pouvez-vous être certains que votre tamis à sol fonctionne correctement chaque fois ? »

Si nécessaire, les élèves modifient le prototype et le testent à nouveau en se basant sur les critères de conception.

  • « Quelles modifications pourriez-vous apporter à votre prototype pour améliorer ses résultats ? »
  • « Comment faudrait-il modifier votre prototype pour que le tamisage se fasse plus rapidement ? »

Les élèves présentent leur tamis à sol au reste de la classe et en font une démonstration.

  • « Quels matériaux ont le mieux fonctionné ? Quels matériaux ont moins bien fonctionné ? »
  • « Avez-vous rencontré des difficultés à travailler en équipe sur ce défi ? Lesquelles ? »
  • « Que feriez-vous différemment la prochaine fois ? »

Liens interdisciplinaires:

Littératie

  • Communiquer des pensées, des sentiments et des idées (p.ex., proposer des idées pour le plan de conception ; faire un remue-méninges pour trouver des solutions au défi Concevoir et construire un tamis à sol)

Pensée mathématique

  • mesurer la masse et le temps à l’aide d’unités de mesure conventionnelles (p.ex., mesurer la taille des particules présentes dans le mélange de sol afin de préparer la conception du tamis; mesurer combien de temps met chacune des sortes de particules à être tamisée)
  • comparer, décrire et ordonner des objets selon leurs caractéristiques mesurées en unités conventionnelles (p.ex., décrire et ordonner les filets et/ou passoires pour le tamis à sol)
  • décrire et interpréter des données (p.ex., mesurer combien de temps met chacune des sortes de particules à être tamisée, et évaluer et comparer l’efficacité de différents systèmes de tamis ou de différentes modifications apportées au système)

Tas de sols utilisés pour niveler le terrain
(Photo d’Alvesgaspar via Wikimedia Commons)

Enrichissement

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

  • Proposez aux élèves de modifier leur modèle de tamis à sol afin de pouvoir séparer plus de tailles de particules.

  • Visitez une gravière locale, une usine de ciment ou un magasin de matériel d’aménagement paysager pour observer comment la pierre est extraite, transformée et/ou utilisée dans des produits à base de pierre.

  • S'il vous reste des semis de tomate de votre enquête TomatosphèreMD, demandez aux élèves d’utiliser les composants de sol tamisés afin de faire une enquête pour comparer la croissance des plantes dans chacun des différents composants.



TEnquête sur des plants de tomates plantés dans différents sols
(Photo de Parlons sciences)