Semelle (photo de aligraham 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 (p. ex., ciseaux), des fixations (p. ex., colle et ruban adhésif) et des matériaux (p. ex., papier, papier abrasif, élastiques et feutrine) de base. Ils doivent aussi connaître le concept de friction dû à un glissement. Il est recommandé que les élèves participent à l’enquête sur la friction et les surfaces avant d’effectuer le présent défi Concevoir et construire.

Chaussures de curling
(Photo de Earl Andrew via Wikimedia Commons)

Contexte

La conception de semelles de chaussure répond à un très vaste marché – pour le sport, la sécurité, les bottes d’hiver, la vie quotidienne, le travail et les loisirs hivernaux. Les concepteurs s’inspirent souvent de la nature pour trouver des types de matériaux et des formes qui aident à augmenter ou à réduire la friction.

La friction est la force qui s’oppose au mouvement. Il est très important de comprendre la friction et ses applications pour concevoir des équipements de sécurité comme des chaussures et des gants de travail. Les concepteurs doivent veiller à ce que leurs produits fournissent une adhérence suffisante pour empêcher l’utilisateur de glisser et tomber, et pour lui assurer une prise sûre quand il grimpe ou qu’il utilise des outils et des matériaux.

Dans ce défi, les élèves développeront les habiletés propres au processus Concevoir et construire en élaborant et en fabriquant une semelle qui ne glisse pas sur une pente à 30 degrés tout en supportant une charge de 500 grammes.

Empreinte de la semelle d’une chaussure de randonnée (photo de Parlons sciences)

Ce défi Concevoir et construire pourrait partir:

  • Des questions et/ou des commentaires émis par les élèves après le visionnement d’images ou de vidéos de différents sports (p. ex., sports d’hiver comme le curling, où le joueur porte une semelle antidérapante à un pied et une semelle de glisse à l’autre; sports estivaux comme l’athlétisme, où les coureurs portent des semelles à crampons; loisirs de plein air et d’aventure comme la randonnée et l’escalade qui nécessitent des semelles adaptées). (Remarque: Ce défi Concevoir et construire pourrait être utilisé pour renforcer l’apprentissage à l’occasion d’un grand événement sportif, comme les Jeux olympiques d’hiver ou d’été.) Lancez la discussion à l’aide de questions comme:
    • « Quel type de chaussures les athlètes portent-ils pour pratiquer ce sport? Pourquoi, selon vous, ont-ils choisi ce type de chaussures? Pensez-vous que ces athlètes veulent que leurs pieds glissent ou adhèrent au sol? »
  • De l’examen des empreintes de semelles de différentes chaussures, que les élèves auront réalisées sur papier en classe ou à la maison. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • « Ceci n’est pas l’empreinte d’une semelle ordinaire. Selon vous, à quel type de chaussures cette semelle appartient-elle? »
    • « Selon vous, pourquoi (montrez un détail précis) le détail de cette semelle pourrait-il être important? »
    • « À quoi le motif de cette semelle vous fait-il penser? »
    • « En quoi les espaces dans le motif de la semelle diffèrent-ils d’un type de chaussure à l’autre? »
    • « Quel est le lien entre le motif de la semelle et la fonction de la chaussure? »
  • D’une comparaison entre des semelles de chaussure et les pattes de différents animaux. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • « Que remarquez-vous à propos des motifs des semelles? En quoi ces motifs ressemblent-ils aux motifs visibles sur les pattes des animaux? »
    • « Pourquoi les animaux ont-ils besoin de ces adaptations sur leurs pattes? Pourquoi les êtres humains créent-ils des technologies pour mieux adhérer à une surface ou mieux glisser dessus? »

Photo d’une patte de lézard (photo de Skitterphotos via Pexels)

Critères de conception

Ensemble, les élèves de la classe proposent des idées de critères que leur prototype de semelle doit respecter. Les éducateurs peuvent décider d’ajouter d’autres critères propres au programme d’études, comme utiliser des fixations, mesurer, employer des matériaux spécifiques, etc.

Exemples de critères de conception:

  • La semelle doit avoir une taille standard et être réalisée à l’aide d’un gabarit.
  • Les matériaux utilisés pour la conception de la semelle doivent être ceux fournis pour ce défi.
  • La semelle doit rester immobile sur une pente à 30 degrés tout en supportant une charge de 500 grammes.

Matériel et préparation (Cliquez pour ouvrir)

Matériel :

  • Gabarit d’une semelle taille réelle (au moins un par groupe)
  • Papier de bricolage, papier cartonné ou carton (au moins un par groupe)
  • Papier abrasif de différents grains
  • Bandes élastiques de diverses tailles
  • Ficelle
  • Fil
  • Corde
  • Feutrine, chutes de tissus
  • Mousse à découper
  • Éponges
  • Bandages
  • Gravillons
  • Morceaux de tapis
  • Planche ou étagère de 1 m à 1,5 m de long (rampe pour le test)
  • Colle
  • Ruban adhésif (p. ex., ruban-cache, ruban adhésif entoilé, ruban d’emballage)
  • Ciseaux

Préparation:

  • Rassemblez divers matériaux neufs et recyclés que les élèves utiliseront pour fabriquer leur prototype de semelle.
  • Organisez des postes d’approvisionnement selon le type de matériel. Vous pouvez aussi préparer des assortiments de matériaux divers à remettre aux élèves.

Quoi faire

Les élèves développent et mettent en pratique les habiletés propres au processus « Concevoir et Construire » en concevant, fabriquant et testant une semelle qui reste immobile sur une pente à 30 degrés tout en supportant une charge de 500 grammes.

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 leur prototype répond aux critères de conception;
  • au besoin, ils modifient le prototype et vérifient à nouveau s’il répond aux critères;
  • ils réfléchissent aux résultats obtenus et établissent ce qui pourrait être fait pour améliorer leur prototype.

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.
  • Générer des idées - Les élèves utilisent des stratégies de génération d’idées, comme le remue-méninges, afin d’identifier les solutions possibles et 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 précisent le problème à résoudre ou le besoin à satisfaire.

  • « Quel objectif votre semelle doit-elle atteindre? »
  • « Que faudrait-il effectuer comme test pour démontrer que la semelle est efficace et atteint l’objectif du défi? »

Les élèves proposent des critères auxquels la semelle antidérapante doit répondre, et ils les consignent.

  • « Quels mots (terminologie) pourrions-nous utiliser pour décrire les caractéristiques que votre semelle devrait posséder pour être efficace? »
  • « Quels sont les critères les plus importants pour atteindre votre objectif? Quels critères sont, selon vous, moins importants pour la réussite de ce défi? »

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? »
  • « Je vois le motif de semelle que vous avez imaginé sur votre croquis. Comment pourriez-vous représenter la profondeur du motif sur votre croquis? »

Les élèves préparent un plan de conception (p. ex., étapes de la création d’un prototype, choix des outils et des matériaux).

  • « Quel serait le point de départ idéal pour concevoir votre semelle? »
  • « Qu’avez-vous appris à propos des matériaux disponibles? »
  • « De quels outils pourriez-vous avoir besoin pour fabriquer votre prototype de semelle? »

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 »).

  • « Quelles difficultés avez-vous rencontrées pour passer du papier au prototype? »
  • « Quels critères de conception votre prototype respecte-t-il? Quels critères ne respecte-t-il pas? Selon vous, pourquoi? »

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

  • « Quels problèmes avez-vous rencontrés quand vous avez retesté votre semelle? »
  • « Quels changements pourraient améliorer la performance de votre semelle? »
  • « Que changeriez-vous dans la conception de votre semelle si vous deviez réduire son poids? »

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 ont été moins efficaces? »
  • « Avez-vous rencontré des difficultés pour travailler en équipe sur cette activité? Lesquelles? »
  • « Auriez-vous confiance, si vous deviez utiliser la semelle conçue et fabriquée par votre équipe? Pourquoi? »

Liens interdisciplinaires

Littératie

  • Poser des questions (p. ex., « Quelles sont les caractéristiques de cette semelle? » « Pourquoi pourrait-on avoir besoin d’une semelle de ce type? »)
  • Communiquer des pensées, des sentiments et des idées (p. ex., pendant le remue-méninges pour établir les critères du prototype, 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).
  • Écouter les idées des autres (p. ex., travailler en équipe afin de trouver des solutions au défi de conception).

Pensée mathématique

  • Reconnaître et utiliser des formes en deux et trois dimensions (p. ex., utiliser des formes triangulaires pour les motifs) pour fabriquer la semelle.
  • Représenter, au moyen d’images, de diagrammes, de graphiques, de tableaux, de nombres, de mots et/ou de symboles (p. ex., réaliser des croquis montrant comment faire pour que la semelle réponde aux critères établis; consigner dans des tableaux les résultats des tests et les modifications apportées à la semelle).
  • Mesurer (p. ex., le poids en grammes que la semelle peut supporter).

Arts visuels

  • Discuter des éléments de conception visuelle (p. ex., comment intégrer des formes et des textures dans la conception de la semelle) et mettre en pratique ce qui a été dit.
  • Communiquer auprès de différents publics et avec différents objectifs au moyen des arts (p. ex., discuter de la manière de donner envie à un public de posséder la semelle en créant une publicité et en élaborant un argumentaire de vente présentant les caractéristiques, les avantages et l’utilité de cette semelle pour un client potentiel).

Enrichissement

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

    Empreintes de pas dans la neige (Photo de jobhaug via Pixabay)

  • Ajoutez un aspect entrepreneurial au défi Concevoir et construire en donnant aux groupes de l’argent factice et en attribuant une valeur marchande aux matériaux qu’il leur faudra acquérir pour fabriquer les semelles. Le coût peut alors faire partie des critères de conception (c.-à-d. une semelle meilleur marché qui remplit tous les autres critères sera mieux classée qu’une semelle plus chère).

  • Mettez les élèves au défi de retester l’adhérence de la semelle qu’ils ont conçue avec une charge plus lourde, sur une pente plus inclinée ou sur différentes surfaces de pente.

  • Étudiez comment la police scientifique utilise les caractéristiques des empreintes de pas (p. ex., identification du modèle et de la marque, motifs de la semelle, pointure, traces d’usure, estimation du poids et de la taille du propriétaire des chaussures) laissées sur une scène de crime afin d’identifier des suspects ou des témoins et de faire des recoupements.

  • Donnez aux élèves les images d’au moins deux empreintes de pas mystérieuses. À l’aide de ces empreintes et de leurs connaissances, demandez aux élèves de trouver autant de renseignements que possible sur le type de chaussures, leurs fonctions et leurs propriétaires.

Empreinte de pas dans la terre (Photo de aitoff via Pixabay)

Un randonneur grimpe sur un rocher abrupt (Photo de StockSnap via Pixabay)