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étude de cas autour d'un parcours "sciences expérimentales et de la nature"

dans le cadre de l'expérimentation académique (1999-2001)

Collège UTRILLO (Paris XVIIIème) - le cadran solaire, un thème de parcours scientifique

Nous avons choisi de ne pas opérer de séparation entre cours et parcours, et nous avons utilisé un thème porteur et fédérateur : le cadran solaire vertical plein sud. Le travail en technologie étant le moteur des diverses interventions autour de ce thème. Les enseignants pouvant intervenir seuls ou à plusieurs pendant les cours en présence des élèves. Cette année la concertation n’a pu se faire que de manière informelle, aucune plage horaire n’ayant été prévue à cet effet dans l’emploi du temps. Les interventions simultanées de deux professeurs se sont réalisées grâce à une organisation non planifiée dans les horaires et n’ont pu être aussi nombreuses qu’il aurait été souhaité. 

Cette séance s'est réalisée avec la présence des professeurs de mathématiques et de sciences physiques

1°) Points de départ:

- Un cadran solaire gravé en cours de technologie à l'aide d'une machine à commande numérique

- Fonctionnement au pôle nord (Cf annexe 1: doc. Papier et photos) et position du style

- Définition de la latitude et de la longitude d'un lieu

Les élèves vont devoir définir la position du cadran solaire et l'orientation du style c'est à dire établir le parallèlisme entre le style et l'axe du monde (cf annexe 0: doc. Photos).

2°) Objectifs:

- Matérialisation de la verticale à Paris sur une représentation en coupe du globe terrestre

- Positionnement du cadran et représentation du style à Paris à partir des angles alternes-internes et complémentaires (Cf annexe 2: doc. papier et photos)  

3°) Réalisation pratique:

- Comment matérialiser la verticale d'un lieu : le fil à plomb (Cf. annexe 2 bis photos)  

- Pratiquement, sur le globe, le problème qui se se pose est le positionnement et la fixation de la tige matérialisant la verticale à Paris. Il est donc nécessaire de définir et de trouver les coordonnées des antipodes par un travail sur la sphère dans l'espace. (Cf annexe 3 : doc. photos)  

4°) Simulation du fonctionnement:

A l'aide d'une source lumineuse primaire (rétroprojecteur), les élèves font apparaître l'ombre portée du style sur le cadran solaire. Ils vérifient aussi qu'au cours d'une rotation de 15° du globe, il s'écoule une heure sur le cadran.(Cf annexes 4 et 4bis : doc. photos )  

N.B. Les annexes “ photos” ont été réalisées par les élèves à l'aide de l'appareil photo et du camescope numériques.

Mathématiques 

Pendant le cours de mathématiques, les élèves ont essentiellement réinvesti leurs compétences en construction géométrique au cours du premier trimestre pour réaliser le tracé des lignes horaires du cadran. Ils ont utilisé avec précision le rapporteur, l’équerre et le compas avant d’utiliser le logiciel de CAO. Ils ont réinvesti des connaissances plus théoriques lors des leçons sur le principe de fonctionnement du cadran. Ils ont alors réutilisé leurs connaissances de cinquième sur les angles alternes internes et complémentaires pour déterminer l’angle que fait le style avec le cadran. Ils ont travaillé sur la sphère dans l’espace bien que cette leçon soit du programme de troisième, ceci leur permettra l’an prochain de réinvestir ces connaissances. La rotation a été abordée à l’occasion du mouvement des planètes (rotation et révolution).  

 Sciences physiques :

Pendant le cours de sciences physiques, les élèves ont abordé le modèle géométrique de la lumière à travers sa propagation rectiligne et la notion de rayon lumineux. Ils ont appris à tracer l’ombre portée d’une source lumineuse, et ont acquis quelques notions sur les mouvements relatifs Terre-Lune-Soleil, débouchant notamment sur la compréhension des phénomènes  de l’alternance jour/nuit et des phases de la Lune.

La partie concernant l’étude,  la réalisation et la « mise en fonctionnement » du cadran solaire constitue un excellent réinvestissement des connaissances acquises :

- Recherche d’objets simulant les deux astres  (Rétroprojecteur pour le Soleil, et mappemonde pour la Terre), quelle est la source primaire ?

- Réflexion portant sur le positionnement de la source primaire par rapport à la  Terre  (Rétroprojecteur placé « loin » de la mappemonde afin qu’il puisse être considéré comme une source ponctuelle), et sur la conséquence concernant les rayons qui y sont issus (parallèles).

- Justification et intérêt du déplacement de l’ombre du style au cours de la rotation de la Terre.

La séance portant sur la recherche théorique et pratique de la verticale en un lieu, constitue  un excellent premier pas vers le cours de mécanique de troisième.

Le dispositif d’ensemble reproduisant le système Soleil-Terre-Cadran constitue, nous semble-t-il, une illustration très pédagogique de la situation réelle, et permet ainsi à l’élève de bien comprendre le fonctionnement d’un cadran solaire

La partie concernant la réalisation d’une animation, à l’aide du logiciel « multimédia orchestré », illustrant le mouvement de la Lune autour de la Terre ainsi que le phénomène des saisons a nécessité de la part des élèves une recherche des différents aspects de la Lune avec leur succession dans le temps. Le produit final constitue un outil efficace pour comprendre et visualiser le phénomène de lunaison dans son ensemble.

Technologie :

Rappel : le thème retenu pour le parcours a toujours permis l’intégration du cours ou contenu du programme. La planification retenue s’est faite en concertation avec mes deux collègues et en fonction des apports théoriques nécessaires et préalables à la réalisation du cadran solaire et du CD-ROM. De ce fait, l’organisation retenue a été la suivante :

a.      Technologie de l’information :

F Conception et fabrication assisté par ordinateur : une approche simplifié du tracé des lignes horaires a été abordé à la fin de l’unité (simulation en 3D de la pièce et de l’usinage).

F Consultation et transmission de l’information : un questionnaire commun aux trois disciplines portant sur les cadrans leur a été donné. Toutes les réponses ont été trouvé sur le Web très riche en ce domaine, permettant de valider les différentes compétences de cette unité (rechercher des adresses, sauvegarder les résultats, se connecter sur un site distant…)

b.      Réalisations sur projet :

1er Scénario : extension d’une gamme de produit (situation de départ : l’entreprise CadranSol veut étendre sa gamme en proposant des cadrans solaires de « bureau »). Ce scénario nécessite une étude de la concurrence mais le marché visé est très restreint (niche). Une fois de plus le Web a permis aux élèves de travailler sur des bases réelles et de valider d’autres compétences telles qu’émettre un message (demande de tarifs / catalogue ou devis) ou de télécharger un fichier ( tarifs disponibles en lignes).

La suite du scénario - recherche d’idées de diversification / choix et solutions retenues ( cf. photos dossier Oral) / fabrication des prototypes ( cf. photos dossier Proto) s’est effectuée en groupe de 3 à 4 élèves.

A noter que les groupes ont dû présenter leurs prototypes à l’oral en présence des trois professeurs concernés ainsi que de Madame la Principale.

2eme  Scénario : Création d'un service (situation de départ : La demande émane de madame David principal du collège) création d'une animation expliquant le phénomène des lunaisons et des saisons. En raison de la nature du service (création d'un CD-ROM), les élèves ont dû au travers ce scénario aborder la notion de réseau local et exploiter les ressources (sons, images, textes) réparties sur les divers ordinateurs. A la fin du scénario, toutes les données permettant la création du CD sont stockées sur l'ordinateur possédant un graveur. Ce scénario a sans doute été le plus délicat à mettre en œuvre car il n'était pas toujours évident de savoir si l'élève était capable ou non de créer la banque de données nécessaire à la réalisation de l'animation(cf. pièce jointe"MO" comprenant le run time et l’animation).

concept :François Muller @ 1998-2009