Science pour la prochaine génération: activités d école primaire Teach article

Traduit par Camille Ducoin. Wayne A Mitchell, Debonair Sherman, Andrea Choppy et Rachel L Gomes du projet 'Next Generation', décrivent quelques-unes de leurs activités faisant découvrir aux enfants d'école primaire la science qui nous entoure.

Système de filtration d’eau

Cette expérience porte sur les solides, les liquides, et la façon de les séparer. Elle situe dans la vraie vie ce qui est appris en classe. Les élèves apprennent à concevoir et à constuire un système de filtration simple, en utilisant différents matériaux. Chacun de ces matériaux permet de retenir des solides et particules dissoutes de différentes taille. Par essai et erreur, les élèves découvrent quel est le meilleur usage de chaque matériau.

Pour placer le sujet dans son contexte, il convient de donner aux élèves une brève introduction sur l’importance de traiter les eaux usées avant qu’elles ne soient rejetées dans les rivières. Le traitement des eaux usées se fait généralement en trois étapes: un traitement préliminaire pour séparer les impuretés solides de grande taille, une sédimentation primaire pour éliminer les impuretés en utilisant la sorption par des solides, et un traitement secondaire pour décomposer ou dégrader les impuretés restantes au moyen de micro-organismes.

Cette expérience étudie le processus physique d’élimination d’impuretés de différentes tailles, et le processus chimique d’élimination des particules dissoutes par sorption sur charbon. Les élèves peuvent discuter de ce qui souille l’eau, en reprenant des termes clés comme: eaux usées, impuretés dissoutes, filtration, micro-organismes.

L’expérience porte sur le traitement primaire, c’est à dire l’élimination des impuretés solides. Une feuille de questions est fournie aux élèves en accompagnement de l’expérience.

Matériaux

• Coton hydrophile
• Sable
• Charbon (de préférence en poudre: sinon, achetez du charbon en morceaux et écrasez-le)
• Graviers
• Gobelets en plastique
• Une bouteille d’eau vide découpée au fond
• Un support pour la bouteille, par exemple une planche avec un trou
• De l’eau sale (contenant du café instantané, de la terre et des morceaux de charbon)
• Un récipient vide pour recueillir les matériaux et l’eau sale utilisés
• Des chronomètres

Méthode

1. Les élèves doivent mettre au point leur système de filtration, en plaçant la bouteille vide à l’envers sur le support. Nous avons utilisé une planche de bois posée entre deux chaises ou tables.
2. Pour chaque système de filtration, donnez aux élèves les quatre matériaux (coton hydrophile, sable, charbon en poudre et gravier) dans des récipients séparés, ainsi qu’un verre d’eau sale.
3. Laissez les élèves choisir dans quel ordre ils superposent les matériaux dans la bouteille. Faites-leur noter l’ordre de superposition des matériaux, et deviner avec quelle efficacité le système de filtration éliminera les impuretés de l’eau. Demandez aux élèves de chronométrer le temps mis par l’eau pour passer à travers le système, et de prédire comment ceci affecte le processus de nettoyage
4. Une fois que les matériaux sont installés dans le système de filtration, les élèves peuvent y verser l’eau sale. Selon la superposition effectuée, l’eau peut mettre un certain temps à passer à travers les différentes couches. Souvent, les élèves oublient de mettre un récipient en dessous: dans ce cas, ils apprennent pour la fois suivante!

Par essai, erreur et observation, les élèves apprendront que la meilleure approche pour nettoyer l’eau est de superposer les matériaux du plus fin au plus grossier. Le coton hydrophile doit être placé au fond (dans le goulot de la bouteille) pour empêcher les autres matériaux de tomber. Par dessus le coton viennent la poudre de charbon, puis le sable, et enfin les graviers. (Comme extension éventuelle de cet exercice, on peut faire varier l’épaisseur des différentes couches pour voir comment cela affecte le processus de purification.)

À travers cette expérience, les élèves apprendront que chacun des matériaux employés est efficace pour filtrer un certain type d’impuretés et que, lorsqu’on les combine pour réaliser un système de filtration efficace, il faut les superposer par ordre de taille. Le sable et les graviers séparent ou filtrent les solides de différentes tailles (le sable retient les particules les plus petites). Le charbon en poudre adsorbe le café dissout, ce qui enlève la couleur. De plus, quand elle arrive à la couche de charbon, l’eau passe très lentement, ce qui lui donne plus de temps de contact avec le charbon.

Plus l’eau sale reste en contact avec le charbon, plus le charbon a de temps pour adsorber la couleur. Le coton hydrophile empêche tous les autres matériaux de filtration de tomber de la bouteille.

Cette expérience montre que les impuretés de l’eau sale peuvent être supprimées en utilisant une série de barrières, utilisant des processus physiques (filtration par les graviers et le sable) ou chimiques (adsorption par la poudre de charbon). Un traitement de ce type ne serait cependant pas efficace pour éliminer les micro-organismes, par exemple. Avez-vous une idée de ce qui marcherait pour cela?

Construction d’un modèle orbital Terre-Lune

La construction de ce modèle orbital Terre-Lune va aider les élèves à comprendre les mouvements basiques des planètes dans l’espace; de plus, ils conserveront un souvenir fait-main de leur activité. Le même modèle peut être utilisé pour représenter le mouvement d’une planète autour du Soleil, ou celui de la Lune autour de la Terre.

De plus, en utilisant une source de lumière extérieure telle qu’une lampe de bureau, les élèves peuvent observer les phases de la Lune ainsi que le principe des éclipses solaires et lunaires.

Matériel

• Un morceau de fil de cuivre (15-20 cm de long, 3 mm d’épaisseur)
• Un petit bâton de bois (15-18 cm de long, 5 mm d’épaisseur)
• 2 balles de ping-pong (ou des balles de polystyrène de différentes tailles)
• Un socle en bois (10 x 5 x 1 cm)
• Une perceuse munie d’un foret de 5 mm

Comment construire le modèle orbital Terre-Lune

1. Percez un trou au centre du socle en bois.
2. Insérez le bâtonnet dans le trou.
3. Attachez le fil de cuivre au milieu du bâton en faisant deux tours complets. Le fil doit rester fermement attaché.
4. En utilisant un objet pointu (par exemple un clou), faites une petite incision dans les deux balles.
5. Placez l’une des balles (représentant soit la Lune, soit une planète) à l’extrémité libre du fil de cuivre, qui servira de bras orbital, et la seconde (représentant soit le Soleil, soit la Terre) en haut du bâtonnet. Ajustez le fil de cuivre de façon à ce que les deux balles soient alignées. Le bras orbital doit pouvoir tourner autour de la balle centrale.

Le modèle peut être utilisé pour représenter l’orbite de la Lune autour de la Terre, ou les différentes planètes du système solaire tournant autour du Soleil.

En utilisant une lampe de poche pour jouer le rôle du Soleil, on peut faire varier les positions relatives de la Lune et de la Terre pour observer les différentes phases de la Lune. Par exemple, demandez aux élèves d’observer ce qu’il se passe lorsque la Lune se trouve entre la source de lumière et la Terre (la lumière reflétée par la surface de la Lune ne peut pas être vue depuis la Terre: pas de Lune dans le ciel), ou lorsque la Terre se situe entre la lumière et la Lune (toute la lumière reflétée par la Lune est vue depuis la Terre: c’est la pleine lune).

En plaçant la Lune dans différentes positions par rapport à la Terre (en variant par exemple par intervalles de 45 degrés), la classe peut décrire quelle portion de la lumière reflétée est visible depuis la Terre. Ceci peut servir à expliquer les phases de la Lune.

Un autre projet proposé consiste à faire dessiner à la classe la forme de la Lune, chaque nuit, pendant un mois. Les dessins sont ensuite utilisés pour représenter l’évolution des phases de la Lune.

Afin d’étudier le mouvement des planètes autour du Soleil, on peut ajouter d’autres orbites pour représenter davantage de planètes. La classe peut alors observer l’effet de la distance au Soleil sur la température des planètes, ou sur le temps nécessaire pour effectuer une rotation complète autour du Soleil.

Le National Schools’ Observatory donne un présentation des phases de la Lune sur son site Internet^w2, utile pour accompagner ce projet.

Ballon de levure

L’expérience suivante permet d’aborder des sujets tels que les micro-organismes et les gaz autour de nous. Les élèves sont encouragés à imaginer et tester différents paramètres pouvant affecter la croissance de la levure, et à étudier un produit de ce processus: le dioxyde de carbone.

Commencez par demander aux enfants s’ils savent comment les humains utilisent la levure, et autres micro-organismes, dans la vie de tous les jours. Donnez des exemples illustrés: fromage bleu, pain, bière, tas de compost, cultures bactériennes. Ces exemples montrent que les micro-organismes sont importants dans notre vie. Demandez aux enfants ce qui, selon eux, est nécessaire à la survie des micro-organismes, et comment les humains ont utilisé cette connaissance. Il vous faudra expliquer que le gaz produit vient de la croissance de la levure; demandez s’ils savent quel est ce gaz.

Demandez aux enfants d’imaginer une expérience pour tester les conditions nécessaires à la survie de la levure, en utilisant le matériel détaillé ci-dessous. Une fois qu’ils ont planifié leurs expériences, distribuez le matériel. Ils peuvent utiliser différentes approches pour mesurer le gaz produit: par exemple, utiliser un cordon pour mesurer la circonférence du ballon, ou faire entrer le gaz dans un tube gradué rempli d’eau, renversé, pour en mesurer le volume.

Matériel

• Trois grands ballons
• Trois bouteilles en plastique de 500 ml
• De l’eau
• Trois paquets de levure de 7 g
• Sucre
• Vinaigre
• Thermomètre
• Cordon
• Règle
• Édulcorant artificiel (facultatif)

Méthode

1. Diviser la classe en groupes
2. Chaque groupe doit concevoir une expérience pour tester au moins un paramètre pouvant affecter la production de dioxyde de carbone par la levure. Pour réaliser un test valable, une seule condition doit être modifiée: par exemple, si on change la quantité de levure placée dans deux bouteilles, il faut s’assurer que la quantité d’eau et la température sont identiques dans les deux cas.
3. Les élèves peuvent choisir de faire varier les paramètres suivants:
   • La température, entre la température de la pièce et 60 ºC
   • La quantité de sucre
   • Le type de sucre (en utilisant par exemple un édulcorant artificiel)
   • L’acidité de l’environnement (vinaigre).
4. Chaque groupe d’élèves doit dessiner le schéma de son expérience et écrire ses hypothèses avant de passer à la pratique. Encouragez les élèves à faire des prédictions sur ce qu’il va se passer.
5. Une fois qu’ils ont préparé leurs plans expérimentaux, donnez à chaque groupe 2 ou 3 bouteilles en plastiques et autant de ballons.
6. Les élèves doivent mesurer et noter les changements exacts qu’ils apportent à chaque paramètre.
7. Ils peuvent mesurer la quantité de dioxyde de carbone produit, soit en mesurant le diamètre du ballon, ou en faisant passer le gaz dans un tube d’eau gradué pour mesurer son volume.
8. La classe peut jouer à qui parvient à produire la plus grande quantité de dioxyde de carbone avec la levure.

Laissez les expériences se dérouler pendant une vingtaine de minutes avant de discuter les résultats. Les élèves doivent annoncer si leur résultat correspondent ou non à ce qu’ils attendaient.

Demandez aux enfants, collectivement, d’identifier les meilleures conditions pour la croissance de la levure. Ils peuvent aussi discuter quelles conditions peuvent empêcher cette croissance: pas de sucre, eau froide, présence d’acides. Que se passerait-il si vous utilisiez du miel à la place du sucre?

Vous pouvez étendre la leçon en étudiant la nature du gaz produit, en pesant le ballon, ou en testant l’effet du gaz sur la flamme d’une allumette. Les élèves peuvent aussi essayer des expériences pour observer comment les micro-organismes contribuent à la production des gaz environnants.
Une description du dispositif expérimental se trouve sur le site de l’Exploratorium^w3.

D’autres activités du projet ‘Next Generation’

Le tableau ci-dessous donne d’autres exemples d’activités développées dans le cadre du projet. Pour plus d’informations sur les activités pratiquées, voir le site Internet du projet ‘Next Generation’^w4.

Le projet ‘Next Generation’ encourage un partenariat étroit entre scientifiques et enseignants. Parler de science d’une façon engageante et instructive permet de déclencher l’intérêt des enfants, et cela les encourage à améliorer et élargir leur compréhension de la science. À terme, nous espérons que quelques-uns des élèves impliqués feront partie de la prochaine génération de scientifiques, éveillant l’intérêt pour la science chez les enfants du futur.