Bateau en train de couler (Photo d’armyasad via Pixabay)

Mise en contexte:

Bouée de sauvetage
(Photo de Tristan Schmurr via Wikimedia Commons)

Habiletés et connaissances antérieures:

Pour mener à bien ce défi Concevoir et construire, les élèves devraient être capables d’utiliser des outils de découpage (p.ex. ciseaux), des outils de fixation (p.ex. pistolets à colle basse température, ruban adhésif) et des matériaux (bâtonnets en bois, pailles) simples, et connaître les concepts de flottabilité (couler et flotter) et de formes solides. Il est recommandé que les élèves réalisent les enquêtes « Les formes solides : Les cylindres » et/ou « Tout est dans la forme » et/ou « Trier et classer des fixations » et/ou « Quelle est la fixation qui convient le mieux ? » avant de se lancer dans ce présent défi.

Contexte:

Les élèves ont pu expérimenter les concepts de flotter et de couler de différentes manières. Ils peuvent avoir jeté des cailloux dans un étang, joué avec des jouets dans une baignoire ou un évier, ou regardé flotter sur l’eau des bateaux de diverses tailles. Beaucoup auront aussi fait l’expérience de la flottaison en apprenant à nager.

Nager
(Photo de leoleobobeo via Pixabay)

Dans ce défi Concevoir et construire, les élèves développeront leurs habiletés de conception et de construction en mettant en pratique leurs connaissances antérieures afin de concevoir et de construire un engin qui flotte.

Ce Concevoir et construire pourrait partir:

  • D’une image utilisée comme provocation. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • Où pourriez-vous trouver ce premier engin ? Qui pourrait l’utiliser, et pour quoi faire ?
    • Où pourriez-vous trouver ce deuxième engin ? Qui pourrait l’utiliser et pour quoi faire ?
    • Connaissez-vous d’autres engins qui servent à la même chose ?

  • D’un défi lancé aux élèves: demandez-leur de trouver, dans la salle de classe, des objets et/ou matériaux (par. ex. plasticine) qui flottent, selon eux. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • Pourquoi avez-vous choisi cet objet/matériau ? (p.ex., connaissance antérieure de sa capacité de flottaison)
    • Comment pouvons-nous tester nos objets afin de déterminer s’ils flottent ?
    • Est-il possible de faire flotter un objet qui a coulé lors de nos tests ? Pourquoi pensez-vous cela ?
  • De la lecture d’un livre comme Iggy Peck, l’architecte. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • À quel problème font face Iggy Peck et sa classe ?
    • Quelles habiletés possède Iggy Peck qui pourrait aider à résoudre le problème ?
    • Si vous étiez Iggy, quelles solutions pourriez-vous proposer pour que tout le monde puisse quitter l’île en toute sécurité ?

Critères de conception:

Ensemble, les élèves de la classe font un remue-méninge afin de définir les critères que leur prototype d’engin devra 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, etc.

Exemples de critères de conception:

  • L'engin doit être construit avec les matériaux fournis uniquement
  • L'engin doit soutenir un poids de x grammes
  • L'engin doit flotter pendant au moins x minutes

Matériel et préparation (Cliquez pour ouvrir)

Matériel:

  • accès à l’eau
  • fixations (p.ex. ruban-cache et/ou ruban adhésif, colle à bois et pistolet à colle basse température)
  • outils de découpage (p.ex. ciseaux, Easy Cutters)
  • règle d’un mètre
  • récipient contenant un nombre de pièces de 1 cent ou de cubes équivalent à la masse que doit soutenir l’engin, selon ce qui a été déterminé
  • feuille d’aluminium
  • pâte à modeler
  • bâtonnets de bricolage ou à mélanger (200 par équipe)
  • mousse de polystyrène (plateaux, tasses ou assiettes, et/ou cartons d’œufs)
  • carton (boîtes recyclées ou morceaux épars)
  • différentes sortes de papier (recyclé, si possible)
  • pailles

Préparation:

  • Rassemblez un assortiment de matériaux neufs et recyclés que les élèves vont utiliser pour construire le prototype de leur engin. La liste de matériaux ci-dessus est fournie à titre indicatif seulement.
  • Installez des stations d’approvisionnement organisées par type de matériau. Sinon, rassemblez un assortiment de matériaux à fournir à chaque groupe d’élèves.
  • Préparez le test des engins en remplissant un évier de la classe ou un baquet rectangulaire de 8 à 10 cm d’eau. Prévoyez des serviettes en papier à proximité afin de pouvoir nettoyer toute goutte ou éclaboussure.
  • Les élèves qui n’ont pas encore étudié les forces peuvent avoir besoin de faire quelques recherches avant de se lancer dans ce défi Concevoir et construire (p.ex., la flottabilité en tant que force)

Quoi faire

Radeau
(Photo de Pezibear via Pixabay)

Les élèves développent et mettent en pratique leurs habiletés de <a href="http://sentierdidees.parlonssciences.ca/Ressources/ArticleId/6123/fiche-dinformation-sur-le-processus-concevoir-et-construire.aspx" target=" ">construction et de conception en concevant, construisant et testant un engin flottant.

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-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 leur plan de conception;
  • ils testent leur prototype et vérifient qu’il réponde 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 du 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 de recenser les solutions possibles et prennent des décisions en se fondant sur les avantages et les inconvénients de chaque solution.
  • Communiquer - les élèves communiquent leur pensée et ce qu’ils apprennent par le biais de mots/croquis/photos/vidéos, etc. à mesure qu’ils identifient les problèmes, font des recherches, élaborent les plans de conception et partagent les solutions de conception.
  • Travailler en toute sécurité - les élèves utilisent différents outils et matériaux de façon sécuritaire quand ils construisent le prototype
  • Réfléchir - les élèves réfléchissent aux résultats des tests de leur prototype et suggèrent ce qu’ils pourraient faire différemment pour améliorer leurs prototypes.

Co-construction des connaissances

Les élèves:
parler, faire et représenter

L’éducateur:
interagir en répondant et en questionnant

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

  • Quelles solutions potentielles votre groupe a-t-il imaginées ?
  • Quels sont les critères qui vous ont aidés à déterminer quelle solution réaliser ?

Les élèves font un remue-méninges pour trouver les critères que la solution qu’ils ont choisie devra respecter, et les consignent.

  • Quels mots pourrions-nous utiliser pour décrire certaines des caractéristiques que votre engin doit présenter afin d’être efficace ?
  • L’un des critères stipule que l’engin doit soutenir un poids de x grammes sans cesser de flotter. Comment allez-vous déterminer si ce critère est respecté ?

Les élèves imaginent à quoi pourrait ressembler leur solution et en font des croquis.

  • Pourquoi la capacité de visualisation est-elle une habileté importante pour les ingénieurs et architectes ?
  • Pourquoi les ingénieurs identifient-ils chaque partie de leurs croquis ?
  • Comment allez-vous représenter les différentes parties de l’engin sur votre croquis ?

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

  • De quels outils pourriez-vous avoir besoin pour construire votre engin ?
  • Quelle condition particulière devez-vous avoir en tête lorsque vous décidez quelle fixation est la plus appropriée ? (c.-à-d., comment la(les) fixation(s) supportera-t-elle l’immersion dans l’eau ?)

Les élèves construisent/élaborent leur prototype en se basant sur leurs croquis et leur plan de conception, et le testent (ils créent le prototype).

  • Quels critères de conception votre prototype respecte-t-il ? Lesquels ne respecte-t-il pas encore ? Pourquoi est-ce le cas, selon vous ?
  • Comment allez-vous devoir adapter votre plan afin de respecter tous les critères ?

Si nécessaire, les élèves modifient le prototype et le retestent pour vérifier qu’il respecte les critères de conception.

  • Quels problèmes avez-vous rencontrés en retestant votre engin ?
  • Quelles modifications pourriez-vous apporter à votre prototype pour améliorer vos résultats ?

Les élèves réfléchissent aux résultats de leurs tests et déterminent ce qu’ils pourraient faire différemment dans le futur.

  • Quels matériaux ont le mieux fonctionné ? Quels matériaux n’ont pas aussi bien fonctionné ?
  • En quoi pourriez-vous revoir les fixations que vous avez utilisées ?
  • Votre équipe a-t-elle rencontré des difficultés en collaborant pour réaliser le défi ? Lesquelles ?
  • En quoi ajouter 5 grammes à la charge que doit soutenir votre engin en flottant modifierait-il la conception de votre prototype ?

Liens interdisciplinaires:

Littératie

  • Poser des questions (p.ex., Quel problème essayons-nous de résoudre?)
  • Communiquer des pensées, des sentiments et des idées (p.ex., en faisant un remue-méninges pour trouver des solutions au problème, par le biais de plans de conception incluant des croquis en 2 dimensions, de résumés des étapes de conception principales, de listes des matériaux et outils/équipements nécessaires)
  • Collaborer afin de trouver des solutions (p.ex., comment déterminer la solution au problème la plus facilement réalisable)

Pensée mathématique

  • Reconnaître et utiliser des formes en deux et en trois dimensions (p.ex., utiliser des cylindres comme base de l’engin)
  • Représenter, en utilisant des images, des diagrammes, des graphiques, des tableaux, des nombres, des mots et/ou des symboles (p.ex., dessiner comment ils imaginent leur engin répondre aux critères établis ; utiliser un tableau pour consigner les résultats des tests et les modifications apportées à leur jouet)
  • Mesurer et consigner la masse (p.ex., pour s’assurer que leur engin supportera la masse requise sans couler)

Enrichissement

Couverture de L’île d’Abel, de William Steig (image via Les Libraires)

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

  • Lisez le livre L’île d’Abel, de William Steig. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • Bien qu’Abel soit une souris, ses expériences ressemblent à celles d’Iggy Peck et ses camarades de classe. Quelles caractéristiques Abel partage-t-il avec Iggy ?
    • À quels moments Abel a-t-il dû penser comme un ingénieur ?
    • Lesquelles de ses compétences ont aidé Abel à survivre sur l’île ?
    • Qu’est-ce qu’Abel aurait pu apprendre d’Iggy Peck afin de quitter l’île ?
    • Comment Abel a-t-il fait des liens entre ses expériences passées et sa nouvelle situation ?