Physique à l école primaire Teach article

Author(s): Werner Stetzenbach, Gabriele Stetzenbach

Traduit par Camille Ducoin. Werner et Grabriele Stetzenbach nous racontent comment des enfants découvrent le monde de la physique à l'école primaire (maternelle et élémentaire), encadrés par des élèves du secondaire. Pourquoi ne pas essayer cela dans votre école?

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Werner Stetzenbach

Au cours des dernières années, plusieurs projets sont apparus pour éveiller la curiosité des enfants à l’école maternelle et élémentaire. En 2001, nous avons initié à Winnweiler une action de ce typew1 qui s’est étendue depuis à toute l’Allemagne grâce au soutien de plusieurs sponsors. Avec les élèves de Werner, du Lycée Wilhelm Erbw2 de Winnweiler, nous avons développé des activités pour apprendre la physique à des enfants de 4 à 10 ans. Les lycéens jouant le rôle de tuteurs, nous sommes allés dans des écoles primaires et accompli plusieurs expériences avec les enfants, sur des sujets tels que l’air, l’électricité, les aimants, la lumière, les ombres, le système auditif, la flottaison et les éclairs.

Un recueil d’activités pédagogiques, expériences et connaissances a été publié dans une brochure en Allemand (THINK ING, 2007). La plupart des expériences, ainsi qu’une introduction générale au projet, sont présentées en Anglais dans des documents PDF qui peuvent être téléchargés sur le site Internet de Science on Stage Germanyw3. Vous trouverez ci-dessous des instructions pas à pas pour une série d’expériences sur le système auditif; ces activités conviennent à des élèves d’école maternelle et élémentaire. Les fichiers PDF fournis en ligne contiennent encore davantage d’expériences.

À l’assaut des tympans

L’objectif est de faire comprendre aux élèves le fonctionnement et l’importance des oreilles, afin qu’ils baissent le son de leurs lecteurs MP3 pour éviter l’endommagement du système auditif. Au cours d’un voyage de la source sonore à l’oreille interne, ils découvrent la production des sons et l’anatomie de l’oreille.

Promenade auditive

Emmenez marcher les élèves autour de la cour de l’école, avec puis sans boules Quiès: ils font ainsi l’expérience de la perte de sensation de l’environnement lorsqu’ils atténuent leur audition. Ils apprennent aussi les dangers auxquels sont exposées les personnes sourdes ou mal entendantes.

Entendons-nous vraiment tout?

L’oreille humaine perçoit les sons de 20 à 20 000 oscillations par seconde. Le nombre d’oscillations par seconde s’appelle la fréquence. En vieillissant, nous perdons la sensibilité aux très hautes fréquences (sons aigus). Les chiens peuvent entendre des sons jusqu’à 35 000 oscillations par seconde (35 kHz), et les chauves-souris perçoivent des sons encore plus aigus. Utilisez un sifflet normal, puis un sifflet pour chiens, et demandez aux enfants de les comparer. Typiquement, le sifflet pour chiens émet dans l’intervalle 16-22 kHz, et seules les fréquences inférieures à 20 kHz sont audibles par les humains. Cette limite peut être encore plus basse selon l’état de votre audition.

Réglez un générateur de signaux avec amplificateur et haut parleur, de façon à obtenir un son de volume moyen à une fréquence audible. Faites ensuite monter la fréquence à 50 kHz, puis baissez-la lentement. Demandez au premier enfant qui parvient à entendre quelque-chose de décrire le son (un sifflement aigu).

Nos oreilles ont-elles des sons préférés? Diagramme auditif individuel

En testant notre propre interval de perception, nous pouvons estimer l’état de notre audition. Connectez un générateur de signaux à un oscilloscope et à un haut-parleur comme indiqué sur l’image.

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À l’aide du générateur de signaux, produisez des sons de 250 à 16 000 Hz suivant le tableau 1. Afin de pouvoir comparer les sons, assurez-vous qu’ils correspondent tous à une onde de la même “hauteur” sur l’oscilloscope.

Demandez à chaque enfant de compléter le tableau (qui peut être téléchargé comme feuille de travail sur le site de Science in Schoolw4) en indiquant s’ils entendent le son très fort, fort, moyen, faible ou très faible. Cela n’est pas évident.

Pour faciliter la tâche, on peut partir de 16 000 Hz et comparer deux à deux les fréquences sucessives à mesurer: ‘Comment endends-tu le son à 16 000 Hz? Maintenant écoute le son à 8 000 Hz. Comment l’entends-tu en comparaison?’, et ainsi de suite. Typiquement, l’oreille humaine est plus sensible aux fréquences auxquelles nous parlons habituellement (entre 200 et 3 500 Hz).

Avec l’aide d’un lycéen tuteur ou d’un enseignant, chaque enfant repésente le volume sonore perçu (par exemple, fort = 8) en fonction de la fréquence.

Comment perçois-tu le son? Son 1 Son 2 Son 3 Son4 Son 5 Son 6 Son 7
Table 1: individual auditory diagram
  16000 Hz 8000 Hz 4000 Hz 2000 Hz 1000 Hz 500 Hz 250 Hz
Très fort (10)              
Fort (8)              
Moyen (5)              
Faible (3)              
Très faible (1)              
Diagramme auditif d’une fille
de huit ans. Cliquer sur
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Il est utile de faire les mêmes mesures avec des adultes (enseignants ou parents), car avec l’âge nous entendons moins bien les sons aigus. Vous pouvez le remarquer lorsque la télévision est allumée: les jeunes enfants peuvent entendre un sifflement aigu que les adultes ne perçoivent pas.

Comment le son arrive-t-il à l’oreille? La flamme vascillante

Le son est transporté par des variations de la pression de l’air: il fait donc bouger les particules d’air. Ceci est illustré par le mouvement de la flamme d’une bougie. Les sons de basse fréquence peuvent même éteindre la flamme.

Matériel

  • Un lecteur de CDs avec haut-parleur grave émettant de la musique techno
  • Une bougie et des allumettes
  • Un entonnoir en papier
  • Un tambour (grave) avec une ouverture à l’arrière
  • Un générateur de signaux avec amplificateur
  • Un haut-parleur adapté aux basses fréquences (100 Hz minimum)
  • Fils électriques
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Démarche

  1. Placez une bougie allumée devant un haut-parleur grave émettant de la musique techno. La flamme vascille en rythme avec la musique. Si l’effet n’est pas assez visible, accentuez-le en utilisant un entonnoir en papier entre le haut-parleur et la flamme.
  2. Placez la bougie allumée devant l’ouverture située à l’arrière d’un tambour. Frappez le tambour de l’autre côté et regardez la flamme vasciller ou s’éteindre.
  3. À l’aide des fils électriques, connectez le haut-parleur à un générateur de signal réglé sur une fréquence basse (100 Hz). La bougie s’éteind. Pour accentuer l’effet, vous pouvez utiliser l’entonnoir en papier entre le haut-parleur et la flamme.

Que se passe-t-il dans une oreille?

Montrez les différentes parties de l’oreille à l’aide d’un modèle en plastique ou en papier (qui peut être fait à la main). Leur rôle sera expliqué dans les expériences suivantes.

Oreille externe: le pavillon et le tympan

Le pavillon recueille le son comme un entonnoir. Utilisez un entonnoir en papier comme cornet pour mieux entendre: murmurez dedans et entendez comme le son est amplifié.

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L’oreille externe fonctionne comme un tuyau d’orgue, fermé à une extrémité de façon à faire vibrer l’air à l’intérieur. Cette vibration est transmise au tympan, une membrane qui se comporte comme un tambour, puis, par action mécanique, aux trois osselets.

Matériel

  • Un haut-parleur grave
  • Un générateur de signaux ou lecteur de CDs, avec amplificateur
  • Fils électriques
  • Bonbons de gélatine

Démarche

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À l’aide des fils électriques, connectez le haut-parleur grave au générateur de signaux ou au lecteur de CDs. Placez quelques bonbons de gélatine sur le haut-parleur. Regardez-les “danser” avec les vibrations de la membrane du haut-parleur, représentant le tympan..

Oreille moyenne: les osselets

Matériel

  • Deux tambourins
  • Une baguette de tambour
  • Une balle de ping-pong ou de polystyrène reliée à un fil
  • Une plaque de cuisson
  • Un maillet ou autre outil en bois
  • Un bol
  • Du papier d’aluminium ou film extensible
  • Des grains de riz ou du sucre
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Démarche

  1. Suspendez à l’avant d’un tambourin la balle de ping-pong ou de polystyrène (représentant les osselets), de façon à ce qu’elle touche la surface (T2 sur l’image ci-dessous). Frappez l’autre tambourin (T1, la source de son) avec la baguette et regardez la balle bouger lorsque l’onde sonore atteint T2.
  2. Couvrez le bol avec du papier d’aluminium ou film extensible bien tendu, et placez dessus les grains de riz ou le sucre. Approchez la plaque de cuisson et frappez-la avec le maillet; regardez sauter les grains (représentant les osselets)..

Oreille interne: la cochlée

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Les cellules ciliées de la cochlée contiennent des nerfs auditifs. Le son (variation de la pression de l’air) les fait bouger, ce qui déclenche l’information qui sera transmise au cerveau. Plus le son est fort, plus les cils bougent. Les sons très forts peuvent même endommager les cellules ciliées.

Un tube de verre représente la cochlée déroulée. À l’intérieur du tube, de la poudre de bouchon ou du talc représente les cellules ciliées.

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Matériel

  • Un tube de verre
  • De la poudre de bouchon ou du talc
  • Deux supports (voir image)
  • Un générateur de signaux
  • Un haut-parleur
  • Des fils électriques

Démarche

  1. Remplissez le fond du tube de verre avec de la poudre de bouchon ou du talc, et posez-le horizontalement sur les supports.
  2. À l’aide des fils électriques, connectez le haut-parleur au générateur de signaux et placez-le devant l’ouverture du tube.
  3. Réglez la fréquence du son jusqu’à faire résonner le tube (pour chaque longueur de tube, il existe plusieurs fréquences qui le font résonner). La poudre vibre alors de façon visible: ceci représente le mouvement des cellules ciliées.

 

Pour réaliser un projet semblable dans votre école

Les lycéens ont un point de vue différent de celui des enseignants et éducateurs: ceci permet de faciliter les rapports avec les petits enfants, qui peuvent les percevoir comme des “grands frères et soeurs”. Les lycéens impliqués dans notre projet ont tiré un grand bénéfice de l’expérience: ils ont appris à faire des présentations, à prendre confiance en eux, et ils ont amélioré leur sens de l’organisation. Tout cela sans la pression d’une situation scolaire classique. De plus, ils ont eu un aperçu du travail des enseignants, éducateurs, sciemtifiques et ingénieurs.

Une équipe se compose de préférence de 4 à 5 lycéens et d’un enseignant responsable. Laissez les élèves élaborer leurs propres idées au cours d’une séance de remue-méninges initiale; ceci les encouragera à se montrer très créatifs. Ils peuvent trouver utile de consulter des livres ou des sites Internet sur les activités éducatives. En permettant à chaque élève de travailler sur un sujet différent, des compétences variées peuvent être mises à l’oeuvre. L’enseignant joue le rôle de modérateur, il fournit le matériel et aide à mettre en place les expériences.

Pour être amusantes et inspirer la curiosité, les expériences doivent être faciles à réaliser, et de préférence faire intervenir plusieurs sens à la fois. Quand les jeunes enfants peuvent expérimenter eux-même, ils expriment et testent souvent leurs propres idées.

Il est important de contacter assez tôt les partenaires potentiels du projet (écoles primaires). Alors que les écoles maternelles sont généralement ouvertes à beaucoup de projets scientifiques, les écoles élémentaires peuvent demander que les expériences proposées s’intègrent dans le programme.

Demandez aux lycéens de présenter leurs projets les uns aux autres, pour recevoir les suggestions d’amélioration de toute l’équipe. Veillez à tester les expériences auparavant avec des enfants de l’âge ciblé, afin d’estimer le temps nécessaire. Chaque groupe devrait compter jusqu’à 7 enfants. Dans notre cas, chaque activité a duré de 25 à 60 minutes environ, bien que nous n’ayons pas fixé de limite en temps.

Les activités peuvent prendre plus de temps que prévu, car les enfants demandent parfois à recommencer une partie qui leur a plu particulièrement. Rappelez-vous que les enfants aiment emporter chez eux de petites expériences, ou participer à des jeux où ils peuvent gagner des prix tels qu’un ballon rempli de bonbons.
Les enfants du primaire peuvent facilement rester concentrés jusqu’à deux heures de suite, surtout s’ils expérimentent eux-mêmes. Avant de réorganiser les groupes ou de démarrer une nouvelle expérience, distribuez des gâteries ou des boissons afin de marquer la pause.

N’oubliez pas que, s’il s’agit d’une expérience nouvelle pour toutes les personnes impliquées, il peut y avoir des réticences de part et d’autre (école et lycée). Cependant, si vous discutez les difficultés éventuelles durant la phase préparatoire, elles devraient être aisément surmontées.

 

References

  • THINK ING (2007) Physik in Kindergarten und Grundschule II. Köln, Germany: Deutscher Institutsverlag. ISBN: 9783602147816

Web References

  • w1 – Pour en savoir plus sur le projet à l’échelle de l’Allemagne, Physik in Kindergarten und Grundschule, voir: www.think-ing.de/index.php?node=1218
  • w2 – Pour plus d’information sur le lycée Wilhelm Erb de Winnweiler, voir: www.weg-winnweiler.de
  • w3 – Vous pouvez télécharger des documents en Anglais sur: www.science-on-stage.de/index.php?p=3_15&l=en
  • w4 – Le Tableau 1 peut être téléchargé en format Word ici.
  • w5 – Science on Stage rassemble des enseignants de science de toute l’Europe, afin qu’ils partagent les meilleures pratiques pédagogiques. Cette initiative a démarré en 2000 sous le nom de Physics on Stage, avant de s’élargir en 2003 pour recouvrir toutes les sciences. Science on Stage Germany organise de nombreuses activités pour les enseignants en Allemagne comme à l’étranger, et héberge actuellement le siège de Science on Stage Europe. Pour plus d’informations, voir: www.science-on-stage.de

Resources

  • ‘Promenade ‘round the Cochlea’ est un site Internet régulièrement mis à jour, qui fournit des connaissances et des suggestions éducatives sur le système auditif. Voir: www.cochlea.org
  • L’Université Skidmore, à New York, donne un ensemble de liens utiles pour enseigner le fonctionnement du système auditif: www.skidmore.edu/~hfoley/Perc9.htm#teach
  • Vous trouverez une jolie animation représentant la propagation des ondes sonores dans l’oreille, sur le site: www.sensory-systems.ethz.ch/Lectures/Auditory/Auditory_Animations_1.htm
  • Le site Internet de l’Institut Médical Howard Hughes offre un rapport sur les recherches récentes sur nos sens, notamment “the quivering bundles that let us hear” (sur les cellules ciliées) et “how to locate a mouse by its sound”(comment localiser une souris à l’oreille). Voir: www.hhmi.org/senses
  • Le site Internet Neuroscience for Kids explique le fonctionnement de notre ouïe. Il contient aussi des expériences et outils pédagogiques: http://faculty.washington.edu/chudler/bigear.html
  • La section How the Body Works du site Internet About Kids Health (Réponses Fiables du Hospital for Sick Children) comporte une présentation de l’oreille, avec un schéma du système auditif. Allez sur: www.aboutkidshealth.ca ou utilisez le lien direct http://tinyurl.com/yzzt5bv
  • Le site Internet de l’organisation de recherche en éducation SEDL (États-Unis) offre en ligne des plans de cours pour enseigner les cinq sens. Voir: www.sedl.org/scimath/pasopartners

Author(s)

Werner Stetzenbach est diplômé de physique, matière qu’il enseigne en établissement secondaire depuis 33 ans. Il est directeur des études au lycée Wilhelm Erb, où il a aussi la charge de spécialiste des questions didactiques. Il participe au programme Science on Stage Germany, dans le groupe de travail sur la ‘Physique à l’école maternelle et élémentaire’: il a organisé plus de 25 cours de formation pour éducateurs et enseignants d’école primaire. Il a également organisé plus de 50 ateliers et cours de formations pour les enseignants de physique des collèges et lycées, sur le thème de ‘La physique dans la vie quotidienne: des expériences avec les mains, haute technologie et peu coûteuses’.

Gabriele Stetzenbach est assistante médicale. Son rôle dans le projet a été de vérifier que les expériences convenaient aux enfants de l’âge ciblé, et d’aider les lycéens à monter les dispositifs. Elle a également coordonné le recueil des impressions exprimées sur les activités effectuées, et a joué un rôle majeur pour assurer l’extension du projet à l’échelle nationale.

Review

Voici une façon nouvelle et stimulante d’enseigner la science aux jeunes enfants. Les expériences sont simples, mais assez efficaces pour expliquer comment fonctionne l’oreille. À une époque où l’on utilise toujours davantage les téléphones portables, ce projet peut être utilisé pour montrer comment l’audition risque d’être endommagée.

L’article concerne deux types de public. Tout d’abord, les enseignants d’école marternelle et élémentaire, qui peuvent utiliser en classe les expériences détaillées ici, ainsi que d’autres activités développées dans le cadre de ce projet (disponibles en ligne). Certains enseignants peuvent trouver cela difficile, ne possédant pas les bases scientifiques nécessaires; ce problème peut être résolu par une préparation adéquate, éventuellement avec l’aide d’un scientifique ou d’un groupe de lycéens préparés, comme dans le cas du projet présenté ici. La section ‘ressources’ propose aussi de la lecture permettant d’acquérir les connaissances de base.

Pour les enseignants de science du secondaire, cet article montre comment mettre en place un projet similaire avec leurs élèves. Être impliqués dans un tel projet peut être très stimulant pour des collégiens ou lycéens, et cela devrait les aider à devenir des adultes plus responsables.

Les expériences présentées sont idéales pour des classes d’école primaire, mais elles peuvent aussi être employées en cours de science intégrée. Elles sont utiles pour un cours de biologie, afin de présenter l’oreille et le système auditif; ou pour un cours de physique sur la propagation du son, présentant en tant qu’application dans la vie courante l’oreille comme système de transmission sonore, ou le nettoyage par ultrasons (où des particules de saleté sont secouées à la place des bonbons de gelée).

Paul Xuereb, Malte

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