comment forger le concept d'énergie au cycle...
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IUFM de l'Académie de Montpellier Centre de Nîmes Année 2008 – 2009
Comment forger le concept d'énergie au cycle 3
Jean-Philippe TOURRENC
Tuteur : Mr. Bernard TRINQUIER
Assesseur : Mr. Vincent SPIEGEL
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Résumé et mots clés
Le concept d'énergie est très vaste, aux frontières de la physique et de l'éco-
citoyenneté. Pour forger ce concept au cycle 3, une réalisation technologique semble
s'imposer. Toutefois le choix par l'enseignant de la fabrication d'un objet technique ne
suffit pas à embrasser en totalité le champ de compétences à développer chez les élèves. Il
s'avère nécessaire d'intégrer la réalisation au sein d'une séquence au cours de laquelle
l'étude documentaire et le travail de groupe ont une importance non négligeable.
Mots clés :
Sources d'énergie, transformation, développement durable, travail de groupe,
fabrication.
The energy concept is very wide, ranging from physics to environmental concerns.
A technological experimentation seems appropriate to make up this concept with pupils.
However, the technical production imposed by the teacher can not fully cover the
competence field to be developped by the pupils. One must integrate the production into a
complete sequence based upon group work and study of documents.
Key words :
Energy sources, transformation, sustainable developpment, group work, technical
production.
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Mention et opinion motivée du jury
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Sommaire
1. Introduction ..................................................................................................................... 6 2. Comment aborder l'énergie au cycle 3 .......................................................................... 7
2.1. De l'énergie, des énergies .......................................................................................... 7 2.1.1. Le point de vue du dictionnaire ........................................................................... 7 2.1.2. Le point de vue du physicien ............................................................................... 7 2.1.3. Le point de vue du géographe, de l'économiste ................................................... 8
2.2. Perspective historique de l'enseignement de l'énergie à l'école primaire ............. 11 2.2.1. De 1882 aux années 60 : la leçon de choses ...................................................... 11 2.2.2. Les activités d'éveil dans les années 70 – 80 ..................................................... 12 2.2.3. Les programmes de 1995 ................................................................................... 13 2.2.4. Le Plan de Rénovation des Sciences et Technologie à l'Ecole et les programmes de 2002 ........................................................................................................................ 13 2.2.5. Les programmes de 2008 ................................................................................... 14
2.3. Perspective didactique de l'enseignement de la technologie à l'école primaire .... 15 2.3.1. La démarche expérimentale en technologie ...................................................... 15 2.3.2. Le travail de groupe ........................................................................................... 18
3. Mise en œuvre d'une séquence sur l'énergie au cycle 3.............................................. 20 3.1. Présentation de la séquence .................................................................................... 20
3.1.1. Contexte ............................................................................................................. 20 3.1.2. La réalisation technologique .............................................................................. 20 3.1.3. La séquence ....................................................................................................... 21
3.2. Séance 1 : Les différentes sources d'énergie .......................................................... 22 3.2.1. Objectifs et dispositif de la séance .................................................................... 22 3.2.2. Déroulement de la séance .................................................................................. 22 3.2.3. Analyse de la séance et pistes d'amélioration .................................................... 23
3.3. Séance 2 : Réalisation technologique : la grue à air ............................................. 23 3.3.1. Objectifs et dispositif de la séance .................................................................... 23 3.3.2. Déroulement de la séance .................................................................................. 24 3.3.3. Analyse de la séance et pistes d'amélioration .................................................... 25
3.4. Séance 3 : Mise en commun – Synthèse ................................................................. 26 3.4.1. Objectifs et dispositif de la séance .................................................................... 26 3.4.2. Déroulement de la séance .................................................................................. 27 3.4.3. Analyse de la séance et pistes d'amélioration .................................................... 28
3.5. Séance 4 : La transformation de l'énergie ............................................................. 29 3.5.1. Objectifs et dispositif de la séance .................................................................... 29 3.5.2. Déroulement de la séance .................................................................................. 29 3.5.3. Analyse de la séance et pistes d'amélioration .................................................... 30
3.6. Séance 5 : La fabrication de l'électricité ................................................................ 30 3.6.1. Objectifs et dispositif de la séance .................................................................... 30 3.6.2. Déroulement de la séance .................................................................................. 31 3.6.3. Analyse de la séance et pistes d'amélioration .................................................... 32
3.7. Séance 6 : Evaluation .............................................................................................. 33 3.7.1. Objectifs et dispositif de la séance .................................................................... 33 3.7.2. Déroulement ...................................................................................................... 33 3.7.3. Analyse et pistes d'amélioration ........................................................................ 34
4. Conclusion ...................................................................................................................... 35 5. Bibliographie .................................................................................................................. 36
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1. Introduction Depuis la révolution industrielle au XIXe siècle, l'énergie est au cœur des politiques
des grandes puissances occidentales. Avec la prise de conscience collective de l'urgence
environnementale à la fin du XXe siècle, l'école est donc plus que jamais engagée dans la
formation du citoyen de demain, en lui permettant de se construire une véritable culture
scientifique et technologique sur l'énergie. Dans cette perspective, les instructions
officielles de 2008 s'appuient une démarche résolument expérimentale, afin de permettre
aux élèves de comprendre à travers des exemples simples de sources d'énergies, et des
notions de besoins et de consommation d'énergie que "le développement durable
correspond aux besoins des générations actuelles et futures".
Dans le cadre de mon stage en responsabilité filé en classe de CM1/CM2, j'ai donc
souhaité mettre en pratique ces propositions pédagogiques, en permettant aux élèves de se
forger le concept d'énergie.
De plus, l'enseignement de la technologie à l'école primaire passe par
l'expérimentation et la fabrication d'objets, dans l'esprit de la Main à la pâte. C'est pourquoi
j'ai décidé de m'interroger plus particulièrement sur l'intérêt d'une construction
technologique afin de forger le concept d'énergie au cycle 3 et d'aborder par la même
occasion le développement durable.
Ainsi, dans une première partie, je présenterai mes réflexions théoriques sur le
concept d'énergie lui-même, mais également sur les perspectives historiques de
l'enseignement de l'énergie à l'école primaire. Je m'attarderai également sur la didactique
de l'enseignement de la technologie à l'école primaire de nos jours, en insistant
particulièrement sur la démarche expérimentale en technologie et ses spécificités par
rapport à la démarche OHERIC, mais également sur le travail de groupe : ses diverses
modalités, ses objectifs.
A la lumière des conclusions dressées dans cette première partie, je présenterai la
séquence que j'ai mise en place, articulée autour d'une réalisation technologique simple.
Chaque séance sera ainsi présentée en terme d'objectifs et de dispositif pédagogique, puis
analysée afin d'extraire des améliorations possibles.
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2. Comment aborder l'énergie au cycle 3
2.1. De l'énergie, des énergies
Donner une signification unique au terme "énergie" relève de la gageure. Ce terme
recoupe en effet de vastes domaines, allant de la physique, à l'économie et à la géographie.
C'est en outre un mot largement utilisé dans la langue française, où l'on pourra parler d'une
personne "énergique", "déployant de l'énergie" ou au contraire "manquant d'énergie". C'est
pourquoi nous allons nous attacher dans cette section à définir plus précisément le mot
"énergie".
2.1.1. Le point de vue du dictionnaire
Le Petit Larousse définit l'énergie comme une "grandeur caractérisant un système et
exprimant sa capacité à modifier l'état d'autres systèmes avec lesquels il entre en
interaction". Cette définition, si austère soit-elle, permet d'introduire plusieurs notions
essentielles. D'une part, l'énergie caractérise un système, c'est-à-dire un ensemble
d'éléments dont on est capable de cerner la frontière avec l'extérieur. En outre, le concept
d'énergie s'envisage à travers l'interaction possible de ce système avec d'autres systèmes
indépendants. Enfin, cette définition souligne la nature même de l'énergie d'un système :
c'est une grandeur susceptible de modifier l'état d'autres systèmes.
Cette définition de l'énergie ainsi que les trois points (système, interaction et
modification) que je viens d'aborder seront au cœur de la séquence mise en place au cycle
3.
2.1.2. Le point de vue du physicien
A la définition du dictionnaire, le physicien rajoute la notion de conservation de
l'énergie entre deux systèmes : si un système S1 cède de l'énergie vers un système S2, la
quantité reçue par S2 est égale à l'énergie cédée par S1.
L'énergie revêt ainsi plusieurs formes, qui dépendent de la façon dont elle est
stockée dans un système. Sans entrer dans le détail, on définit cinq formes d'énergie :
- l'énergie cinétique, qui est liée aux corps pesants en mouvement. C'est cette forme
d'énergie qui est en jeu lorsqu'on utilise le vent ou l'eau en mouvement.
- L'énergie potentielle de pesanteur, qui est l'énergie que possède un corps dans un
champ de pesanteur, matérialisée lors de la chute d'un corps pesant
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- L'énergie chimique, liée à la nature des réactions en jeu lorsque l'on utilise cette
forme. La combustion des énergies fossiles est un exemple.
- L'énergie nucléaire, liée à la structure atomique de la matière et qui est mise à profit
lors de la fission de l'uranium, par exemple.
- L'énergie interne liée au niveau de température.
Lorsque deux systèmes interagissent, le transfert d'énergie peut revêtir quatre
formes. Le transfert peut ainsi avoir lieu sous forme de travail mécanique, lorsque le
transfert a lieu lorsque au moins un des deux systèmes est en déplacement lors du transfert.
Le transfert peut également avoir lieu au travers d'un travail électrique lorsque le support
de l'échange d'énergie est un courant ou une tension électrique. La chaleur est un troisième
mode de transfert d'énergie entre deux systèmes, lorsque ces derniers sont en contact.
Enfin, le transfert d'énergie peut se faire par rayonnement d'ondes électromagnétiques.
L'ensemble des concepts purement physiques abordés jusqu'ici ne peut bien
évidemment pas faire l'objet d'un enseignement à l'école primaire. Néanmoins, nous
pouvons dégager de ces idées la notion de chaîne énergétique du type "Energie → Système
→ Action" : une source d'énergie, utilisée dans un système, c'est-à-dire une machine
construite par l'homme, permet d'obtenir une action. Cet aspect de transformation de
l'énergie au sein d'une chaîne énergétique sera au cœur de la séquence mise en place.
2.1.3. Le point de vue du géographe, de l'économiste
Du point de vue du géographe ou de l'économiste, le concept d'énergie s'aborde à
travers les ressources en énergie d'un pays ou d'une région. Comme "rien ne se perd, rien
ne se crée, tout se transforme" selon Lavoisier, il est donc indispensable d'identifier les
réservoirs d'énergie utilisables dont nous disposons sur Terre. On distingue ainsi deux
grandes familles de sources d'énergie.
D'une part, il existe des sources d'énergie dont le renouvellement s'effectue sur une
échelle de temps géologique, supérieur à la centaine de million d'années. A l'échelle d'une
vie humaine, elles apparaissent donc comme non renouvelables. C'est le cas des énergies
fossiles, issues de la fossilisation des êtres vivants que sont le charbon, le gaz naturel et le
pétrole ; ainsi que du minerai d'uranium. Facile d'accès et d'utilisation, ces sources
d'énergie ont été à l'origine du développement industriel ultrarapide de notre société
occidentale depuis le début du XIXe siècle (du milieu du XXe siècle seulement pour
l'uranium). Toutefois, ces sources souffrent d'une surconsommation à l'heure actuelle
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poussant vers leur épuisement graduel rapide. En outre, elles sont polluantes : les énergies
fossiles contribuent au changement climatique rapide en cours sur la planète à cause de
l'effet de serre induit par le dioxyde de carbone issu de leur combustion. De son côté,
l'énergie nucléaire pose le problème du stockage et du recyclage des déchets hautement
radioactifs issus de l'utilisation de l'uranium.
Il existe d'autre part sur Terre des sources d'énergies que l'on peut consommer sans
qu'elles ne s'épuisent, et sans causer de dommages pour l'environnement et la société à
long terme. Ce sont les sources d'énergie renouvelables : vent, eau en mouvement, soleil
et, plus marginalement la géothermie et la biomasse. Ces sources ont le vent en poupe
actuellement, grâce à la prise de conscience internationale de l'urgence à modifier notre
comportement en terme de consommation d'énergie. Bien que non polluantes elles
souffrent de plusieurs handicaps face aux énergies non renouvelables : elles sont plus
chères, de moins bon rendement énergétique, plus difficiles à mettre en œuvre dans toutes
les situations quotidiennes (notamment pour les transports), et souvent intermittentes
posant ainsi le problème de stockage de l'énergie.
L'ensemble des caractéristiques des sources d'énergie renouvelables et non
renouvelables est synthétisé dans le tableau 1.
Avant de conclure cette sous-section, il apparaît important de souligner l'extrême
importance de l'électricité comme forme d'énergie majoritairement utilisée par notre
société au quotidien (hormis dans les transports). Très facilement transportable sur de
longue distance sans trop de pertes, et permettant une quasi-infinité d'utilisations, cette
forme d'énergie représente environ un tiers de l'énergie consommée dans le monde. N'étant
pas présente naturellement de façon exploitable dans la nature, l'homme a appris à
fabriquer, transporter et utiliser l'électricité depuis le XIXe siècle.
La séquence que je propose de mettre en place s'appuiera tout naturellement sur les
différentes sources d'énergie présentées ci-dessus. L'aspect éco-citoyen de la production et
de la consommation d'énergie, en particulier de l'électricité devra également être mise en
avant au cours de la séquence.
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Source d'Energie
Renouvelable ou Non Renouvelable
Principaux Avantages Principaux Inconvénients
Charbon, Pétrole et Gaz Naturel
Non Renouvelable ● Utilisation facile et peu chère ● Bon rendement énergétique ● Industrie extrêmement bien développée et mature
● Faibles réserves ● Pollution environnementale importante ● Fort rejet de gaz à effet de serre
Uranium Non Renouvelable
● Rendement énergétique exceptionnel ● Pas de rejet de gaz à effet de serre ● Industrie bien développée et mature ● Développement potentiel important
● Réserves ? ● Déchets radioactifs extrêmement polluants ● Risques sanitaires nécessitant des précautions
Vent Renouvelable ● Technologie maîtrisée ● Pas de pollution ni de rejet de gaz à effet de serre
● Coût d'installation important ● Implantation géographique limitée ● Intermittence de la production énergétique
Soleil Renouvelable ● Développement possible important ● Pas de pollution ni de rejet de gaz à effet de serre
● Coût d'installation important ● Implantation géographique limitée ● Intermittence de la production énergétique
Hydraulique Renouvelable ● Développement possible important ● Pas de pollution ni de rejet de gaz à effet de serre
● Coût d'installation important ● Implantation géographique limitée ● Dégradation de l'environnement
Géothermie Renouvelable ● Pas de pollution ni de rejet de gaz à effet de serre ● Coût d'installation important ● Implantation géographique extrêmement limitée
Biomasse Renouvelable ● Développement possible important ● Technologie non mature ● Fort rejet de gaz à effet de serre en cas de fuite ● Implantation géographique limitée
Tableau 1. Avantages et inconvénients des principales sources d'énergie renouvelable et non renouvelable
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2.2. Perspective historique de l'enseignement de l'énergie à l'école
primaire
Dans cette section, nous allons nous intéresser à la façon dont les sciences et
technologies, et plus particulièrement le concept d'énergie, ont été enseignées à l'école
primaire de la fin du XIXe siècle à nos jours, en examinant à la fois le contenu des
programmes, mais également les modalités de l'enseignement.
2.2.1. De 1882 aux années 60 : la leçon de choses
D'inspiration américaine, la leçon de choses apparaît en France dès 1867. Les "choses"
sont des éléments de la vie courante des enfants : le télégraphe, le phonographe, le sel de
cuisine, les plantes… Avec les grandes lois de Jules Ferry en 1882, les sciences ne sont plus
facultatives et s'insèrent dans un enseignement des "éléments de sciences naturelles, physique
et mathématiques" : l'idée d'interdisciplinarité est présente dès les débuts de l'enseignement
des sciences et technologie à l'école primaire. Cet enseignement est basé sur l'observation des
"choses" par le maître, l'enfant étant cantonné à un rôle de spectateur. De l'observation, on tire
des faits que l'on généralise selon un procédé rigoureux d'exposition, afin de définir un usage
des choses. Paul Bert, ministre de l'Instruction publique en 1881, s'attelle à la rédaction de
manuels d'enseignements essentiellement encyclopédiques, peu tournés vers les
connaissances pratiques. Les "sciences appliquées" (de même que les "conseils pratiques
d'hygiène") apparaissent toutefois au fil des rééditions, où l'énergie est touchée du doigt à
travers l'étude d'objets techniques comme les appareils de chauffage, ou encore la machine à
vapeur.
Après la première guerre mondiale, on réaffirme l'activité des élèves. Mais celle-ci ne
se limite pas à un rôle de spectateur : l'enseignement se doit d'être pratique, afin "d'armer les
travailleurs, augmenter le rendement de leur activité productrice". L'enseignement pratique
est toutefois plus que limité dans la réalité, puisque les classes comptent alors une
cinquantaine d'élèves, rendant la mise en place d'expériences plus que délicate. Des méthodes
actives, comme la classe promenade ou la constitution d'un musée scolaire, sont encouragées.
En 1938, partant du constat des résultats décevants de la pratique de la leçon de
choses, il est décidé de privilégié "l'action sur les choses" à l'étude de "l'aspect des choses" :
c'est l'usage des choses qui est source d'étude et de savoir, et non pas la nature même de la
chose.
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Les contenus en eux-mêmes varient très peu, et concernent toujours des éléments
faisant partie de l'univers très proche des enfants. L'énergie n'est abordée qu'au travers du
thème sur le chauffage : l'allumette, le chauffage, le poêle de la classe.
Après la seconde guerre mondiale, les instructions officielles de 1945 font à nouveau
état de pratiques décevantes au cours de la leçon de choses. C'est pour cette raison que les
nouveaux programmes de 1945, mais surtout de 1957, réhabilitent l'observation des
phénomènes comme pratique scientifique de référence, au détriment de l'expérimentation :
"les leçons de choses doivent être des exercices d'observation sur les choses familières aux
enfants puisque c'est faire […] la première opération de science du monde extérieur, la seule
qui leur soit accessible : l'observation".
Le contenu des programmes et des manuels s'est enrichi : dans le cadre de l'étude de
l'air et des ses combustions, un partie du programme aborde "la houille, le pétrole, l'essence et
le mazout, le gaz d'éclairage et le butane", ainsi que "le gaz carbonique". Toutefois, les
sciences naturelles, plus faciles à mettre en œuvre que la physique et la technologie,
deviennent plus que jamais les matières reines de la leçon de choses.
2.2.2. Les activités d'éveil dans les années 70 – 80
En 1969 est institutionnalisé le tiers-temps pédagogique. On regroupe alors sous la
bannière de "disciplines d'éveil" les enseignements de l'histoire, de la géographie, des sciences
et des travaux manuels ainsi que des disciplines artistiques. Les instructions officielles de
1977 et 1980 formalisent le statut des activités d'éveil, d'une part en fixant des horaires (2
heures par semaine pour les sciences expérimentales), mais également des objectifs et des
méthodes pédagogiques.
La pédagogie de l'éveil, résolument constructiviste, se "fonde sue la participation
active […] des élèves aux découvertes et aux acquisitions". Le maître n'est plus l'orateur tout-
puissant auquel les élèves doivent s'adapter, mais doit au contraire rester "constamment
vigilant à l'égard des objectifs poursuivis […] et s'attache […] à évaluer régulièrement le
cheminement des élèves".
La démarche expérimentale, que nous discuterons plus en détail ultérieurement, est le
support privilégié pour les apprentissages. Le décloisonnement des enseignements est aussi
favorisé, de même que l'interdisciplinarité qui est mise en avant : "les activités d'éveil
s'intègrent à cette perspective générale qui concerne l'ensemble des activités scolaires. […]
Les différents domaines qui les constituent ne sont pas simplement juxtaposés, mais
entretiennent de larges interférences dont le maître doit tirer parti". Le travail de groupe,
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dont nous discuterons plus tard du rôle dans la construction des savoirs, est également
fortement suggéré.
L'énergie devient un des huit domaines abordés dans l'enseignement de la physique et
de la technologie, avec notamment l'apparition de l'électricité comme forme d'énergie, ainsi
que le terme de source d'énergie. Dans le détail, on y trouve :
- la génération du mouvement à l'aide de l'électricité, du travail des forces musculaires,
du vent et de la chute d'un poids,
- la production de chaleur ou de lumière à l'aide d'un combustible ou de l'électricité
- l'identification dans des circonstances familières et variées la ou les sources d'énergie
utilisées
Choc pétrolier oblige, les programmes proposent également de s'interroger sur les
conditions d'utilisation qui contribuent aux économies d'énergie.
2.2.3. Les programmes de 1995
Les programmes de 1985 suppriment les disciplines d'éveil, et les remplacent par de
simples disciplines. Même si le volume horaire consacré aux sciences et technologie est revu
à la hausse pour le CM (3 heures par semaine), la démarche expérimentale n'est pas autant
mise en avant que dans les programmes de 1980, tout en restant la pratique pédagogique de
référence pour l'enseignement des sciences et technologie. En revanche, l'organisation de
l'école en cycles est perçu comme permettant à l'enseignant de "varier les situations
d'apprentissages, de jouer entre les moments d'apprentissages collectifs, le travail individuel
et le travail en petits groupes, homogènes ou non, selon l'objectif visé".
Ces programmes sont plus condensés que leurs prédécesseurs, aussi l'énergie n'est que
brièvement évoquée au travers de l'étude d'"exemples simples de source et de production
d'énergie, consommation et économie d'énergie". Sont également introduits les "objets et
réalisations technologiques".
2.2.4. Le Plan de Rénovation des Sciences et Technologie à l'Ecole et les programmes de 2002
Le point d’appui à la mise en place de ce plan de rénovation mis en place en 2000 est
l’opération « La main à la pâte » développée par le ministère de l’Education Nationale à la fin
des années 90 et impulsée par Georges Charpak dans une volonté de lutter contre l’échec de
l’enseignement des sciences à l’école.
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Ce plan de rénovation des sciences et de la technologie dépasse le seul enseignement
scientifique. En effet, la nouveauté réside autant dans la méthode employée, basée sur le
principe des méthodes actives, que dans l’étendue des domaines d’apprentissages concernés
puisqu’il met l’accent sur l’utilisation de l’expression écrite et orale en sciences. L’objectif de
ce texte est que les élèves s’interrogent, agissent de manière raisonnée et communiquent,
qu’ils construisent leurs apprentissages en étant acteurs des activités scientifiques. Le travail
en groupe et les échanges entre pairs qu’il occasionne permettent de développer leur capacité
d’argumentation. C’est enfin une démarche qui privilégie le sens et permet de créer des liens
interdisciplinaires tant en maîtrise de la langue qu’au niveau du « vivre ensemble ».
A partir de ce plan de rénovation, les Instructions Officielles de 2002 mettent l’accent
sur différents aspects incontournables pour un enseignement efficace et cohérent des sciences
à travers la démarche d’investigation : il préconise tout d’abord une situation déclenchante
permettant d’attiser la curiosité de l’élève en soulevant un questionnement. Observation,
émission d’hypothèses et expérimentation permettent alors à l’élève de s’investir dans une
véritable démarche d’investigation visant à développer connaissances et savoir-faire. Les
dispositifs utilisés dans la mise en oeuvre des différentes activités doivent alterner
manipulations en travail de groupe et phase d’institutionnalisation en laissant toujours une
grande place à l’activité de l’élève. La mise en place d’activités scientifiques met également
en jeu des compétences transversales. Les questionnements, les échanges et la comparaison
des résultats obtenus sont autant de situations propices pour développer des compétences dans
la maîtrise du langage et de la langue française. Le travail en groupe, favorisé dans de tels
apprentissages, pourra être l’occasion de développer des attitudes de coopération, d’écoute et
de respect des autres.
Du point de vue des contenus, l’énergie et la technologie sont abordées de la même
façon que dans les instructions de 1995.
2.2.5. Les programmes de 2008
Les nouveaux programmes de juin 2008 mettent toujours la démarche d’investigation
à l’honneur, en référence explicite à l’esprit de la Main à la pâte. "Observation,
questionnement, expérimentation et argumentation" forment les piliers de cette démarche
d’investigation qui "développe la curiosité, la créativité, l’esprit critique et l’intérêt pour le
progrès scientifique et technique". Toutefois, le volume horaire consacré aux sciences
expérimentales et à la technologie est revu à la baisse, avec seulement 2h par semaine pour le
cycle 3. Les instructions officielles ne font également pas référence aux dispositifs favorisant
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un apprentissage efficace des savoirs, mais dans l’esprit de la Main à la pâte, le travail de
groupe est à privilégier dans les phases d’investigation.
L’énergie tient une place comparable à celle des programmes de 2002, mettant
l’accent sur les exemples de sources d’énergies fossiles ou renouvelables, et également sur les
besoins, la consommation et les économies d’énergie. L’aspect technologique des
enseignements est regroupé sous la bannière des "objets techniques". Les instructions
officielles mettent pour la première fois en avant la notion de développement durable
correspondant "aux besoins des générations actuelles et futures". Cette éco-citoyenneté est
envisagée de manière transversale puisque les enseignements d’histoire géographie et
d’instruction civique sont invités à forger cette dimension.
2.3. Perspective didactique de l'enseignement de la technologie à
l'école primaire
Cette section est consacrée à la didactique de l'enseignement de la technologie
aujourd'hui, s'appuyant sur deux piliers : la démarche expérimentale et le travail de groupe.
Nous nous attacherons à définir les caractéristiques essentielles de chacun des piliers.
2.3.1. La démarche expérimentale en technologie
La démarche expérimentale que je présente ici est la démarche dite OHERIC
(Observation – Hypothèse – Expérimentation – Résultat – Interprétation – Conclusion) qui est
la démarche du chercheur qui a trouvé et qui reconstruit à posteriori le déroulement de sa
recherche pour la présenter. Elle peut être d'une manière générale résumée par la figure 1
suivante.
Figure 1. La démarche expérimentale OHERIC
Observation des faits, des acquis
Formulation d'hypothèses
Expérimentation
Résultats
Interprétation
Conclusion
DEMARCHE EXPERIMENTALE OHERIC
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Ce modèle, bien que théoriquement valable, est critiqué par G. De Vecchi comme
étant "le plus souvent une démarche théorique figée, stéréotypée", correspondant "plus à la
présentation d'une recherche qu'à la manière dont on la mène". Il souligne en outre
l'importance de la curiosité, de la créativité et de l'imaginaire qu'il est selon lui primordial de
développer chez les élèves.
A cette vision figée, G. De Vecchi substitue plusieurs types de démarches
expérimentales : les expériences "pour voir", la démarche de vérification et la démarche de
production. Selon lui, les expériences "pour voir", peuvent, au travers d'un "résultat
surprenant […] faire entrer un élève dans la démarche de recherche". Il insiste toutefois sur
la nécessité "d'inciter les élèves à aller plus loin (nda : que l'expérience elle-même) en leur
demandant […] de justifier leur idée". La démarche de vérification, c'est-à-dire de validation
ou de réfutation d'une hypothèse est d'après G. De Vecchi la piste d'expérimentation la plus
facile à aborder, et possède l'avantage de mettre à l'épreuve un modèle. Ce modèle peut
provenir des élèves, mais peut également être une proposition du maître, dans l'éventualité où
ce modèle serait difficile à concevoir de la part des élèves.
La démarche de production correspond à la démarche technologique en tant que
telle. C'est elle qui nous intéresse dans le cadre de ce mémoire. S'inspirant du travail de
l'ingénieur, elle permet de faire entrer les enfants dans une véritable recherche. Il s'agit, selon
J.P. Bonan, cité par G. De Vecchi de "concevoir un principe de fonctionnement permettant à
un système de remplir sa fonction à partir d'un cahier des charges la définissant". A partir de
leurs conceptions, les élèves recherchent alors "les méthodes nécessaires à la fabrication de
l'objet… Ensuite, ils réaliseront cet objet et le compareront leurs représentations avec des
systèmes déjà fabriqués".
Ainsi, à partir d'hypothèses que l'on peut considérer comme des solutions provisoires,
les élèves testent scientifiquement afin de les mettre à l'épreuve. Toutefois, comme le
souligne G. De Vecchi, "la vérité ne s'exprime pas par des énoncés immuables, mais par des
approximations successives qui se poursuivent indéfiniment". C'est ce que nous pouvons
appeler l'optimisation de l'objet à fabriquer : cette optimisation dépend d'un nombre infini
de paramètres plus ou moins importants et liés, qu'il est important d'appréhender dans la phase
de recherche ou de comparaison des systèmes. C'est ainsi le stade de développement
hypothético-déductif, ou pensée formelle au sens de Piaget qu'il est question de développer
chez les enfants. Dans cette phase d'optimisation, l'enseignant a pour rôle de limiter le nombre
de paramètres aux plus significatifs pour la recherche, afin de ne pas laisser s'installer la
confusion et le découragement chez l'élève.
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Pour donner du sens aux situations d'apprentissages en utilisant la démarche
technologique, G. De Vecchi insiste sur la rigueur à développer "dans les montages comme
dans le recueil des données". Cette rigueur doit ainsi apparaître les mesures effectuées, mais
également dans les schémas produits par les élèves. Ce travail permet alors de préparer
l'interprétation des résultats obtenus par comparaison avec les représentations ou avec des
systèmes déjà fabriqués. Il faut toutefois prendre garde à ne pas faire dire aux résultats
"beaucoup plus qu'ils ne nous apportent". Il est donc essentiel de "prendre en compte les
différents facteurs qui agissent sur un phénomène, à ne pas comparer des cas particuliers
trop différents". Ce travail d'interprétation des résultats passe par la communication des
productions des élèves à leurs pairs, et être suivis d'une "analyse critique constructive".
Cette communication est le socle du développement de la pensée critique, et participe à "la
socialisation des savoirs entre les élèves".
Enfin, la démarche technologique ne saurait se satisfaire de l'expérimentation seule.
Une phase de généralisation, d'abstraction, souvent difficile, est indispensable : en effet,
"plus que la connaissance des faits et des causes, la science se définit par la connaissance des
lois, des concepts" d'après G. De Vecchi. Cette généralisation se traduit ainsi de manière
variable, allant de l'énoncé d'une règle, à l'élaboration d'un système symbolique du type
schéma fonctionnel. Cette réflexion nous permet donc d'aboutir à une représentation
schématique de la démarche expérimentale en technologie.
Cahier des charges
Hypothèses
Expérimentation
Interprétation
Communication +
Analyse Critique
Utilisation de l'objet
Généralisation
OPTIMISATION
18
2.3.2. Le travail de groupe
Dans le travail de groupe, les élèves élaborent un savoir à partir d’une discussion entre
pairs. Après un premier temps de conflit social inter-élève à propos de divergences de points
de vue, le conflit tend à devenir interne à chaque élève, chacun étant amené à douter de ses
convictions premières. A partir de cette double reconsidération peut alors naître un nouveau
savoir. C’est le conflit socio-cognitif.
Toutefois, l’enseignant peut nourrir de nombreuses craintes à propos du travail de
groupe. L’effervescence chez les élèves que peut produire ce type d’enseignement, et le bruit
qui l’accompagne peut nuire aux apprentissages des élèves. En outre, les élèves peuvent
s’échapper des apprentissages par des discussions ne concernant pas le travail demandé, ou
bien en étant absorbé par le matériel mis à leur disposition. Enfin, l’obstacle peut être
matériel : par rapport à un travail collectif, le matériel à fournir est multiplié par le nombre de
groupes.
Bien que P. Meirieu définisse 4 typologies de groupes (information, production,
réconciliation, et apprentissage), nous nous attarderons seulement sur les groupes
d’apprentissages et de production. Ce sont en effet les deux types de fonctionnement que
l’on peut envisager pour une réalisation technologique à l’école primaire. Si le groupe
d’apprentissage est le dispositif visé par l’enseignant, une logique de production également se
met en place dans les groupes si l’enseignant n’y prend pas garde, du fait même de l’objet
technologique à réaliser. Les caractéristiques de chaque typologie sont résumées dans le
tableau 2 suivant.
Groupe centré sur La production Les apprentissages
Logique de fonctionnement L’efficacité productive L’apprentissage individuel
Leader incarnant le groupe Leader organisateur Leader formateur
Obstacles à surmonter Morcellement du groupe induit par la division du travail
Se laisser fasciner de manière ludique ou esthétique par le dispositif lui-même
Dérive le menaçant Spécialisation excessive, exclusion des moins compétents
Atomisation, perte d’identité groupale
Tableau 2. Les caractéristiques des groupes d'apprentissage et de production
19
Ainsi, P. Meirieu propose plusieurs pistes pour que les groupes fonctionnent en groupe
d'apprentissage :
- Au delà d'un langage commun, il est important que "règne au sein du groupe une
hétérogénéité suffisante pour que [les] échanges soient féconds". En effet, s'il n'existe
pas d'hétérogénéité au sein du groupe, les échanges risquent d'être vain ou
narcissiques.
- En outre, il est nécessaire "d'identifier des objectifs d'acquisition individuelles très
clairement distincts des tâches à réaliser par les groupes". Dans le cas de l'acquisition
d'un concept comme celui de l'énergie, P. Meirieu suggère de procéder par
"comparaison d'attributs et confrontation avec un contre-exemple". Dans le cas de la
réalisation technologique, au-delà de la fabrication elle-même, chaque groupe sera
invité à réfléchir sur le système qu'il aura réalisé, et quelles améliorations il
pourrait proposer.
- Enfin, afin de ne pas pousser le groupe vers une logique de production, il faut selon lui
"empêcher la résolution immédiate du problème […] pour dégager une problématique
et engager une autre logique". Il importera donc de proposer aux élèves une
réalisation technologique nécessitant un effort de réflexion de leur part, et non une
simple fiche de fabrication.
Ainsi, le travail de groupe en sciences et technologie peut induire des apprentissages
chez les élèves, à condition de cerner clairement les modalités de fonctionnement de la (ou
des) séance(s). Au-delà de considérations de discipline et d'organisation matérielle, la
constitution des groupes, les objectifs et le matériel proposé ont une importance clé.
20
3. Mise en œuvre d'une séquence sur l'énergie au cycle 3
3.1. Présentation de la séquence
3.1.1. Contexte
Cette séquence a été mise en œuvre au cours de mon stage en responsabilité filé, à
cheval sur les périodes 3 et 4, dans une classe de CM1-CM2 de 24 élèves (4 CM1 et 20
CM2), à l'école élémentaire Les Dinarelles aux Angles.
C'est une classe relativement agitée au niveau des CM2, avec une élève souvent dans
le refus de l'autorité et l'insolence vis-à-vis de l'enseignant, et victime d'un certain rejet dans la
classe à cause de son comportement. Suivie par le RASED et par un psychologue hors de
l'école, son comportement a tout de même eu tendance à s'améliorer à la fin de l'année civile
2008. Trois autres élèves présentent un comportement assez agité également, mais ils sont
acceptés (et même leaders) dans le groupe classe. Enfin un élève calme est quant à lui souvent
la proie des invectives de ses camarades. Le reste de la classe a donc logiquement tendance à
se laisser dissiper par les remarques et interventions de ces quatre élèves.
3.1.2. La réalisation technologique
Comme présenté dans la section précédente, l'énergie occupe maintenant une place
importante dans les programmes de l'école primaire de 2008. La démarche expérimentale en
technologie, comme présentée précédemment, peut être un outil essentiel à l'acquisition de
concepts abstraits, tels l'énergie. Aussi, une réalisation technologique sert de pivot à
l'ensemble de la séquence que j'ai développée. J'ai ainsi choisi de travailler autour de la
réalisation d'une "grue à air" : cette réalisation technologique utilise une source d'énergie
extérieure renouvelable (vent, eau ou sable) permettant de soulever un objet (une rondelle
métallique). Elle est représentée en annexe 3.
De constitution extrêmement simple, elle est élaborée uniquement à partir d'éléments
de récupération : bouteilles en plastiques pour les pieds l'axe, pique à brochette en bois pour le
support de l'axe, ficelle et rondelle métallique pour la charge à soulever. Des découpes
réalisées dans la bouteille horizontale permettent la mise en rotation de l'axe de la grue
lorsqu'un flux suffisant d'air, d'eau ou de sable est appliqué aux ailettes. Cette rotation permet
alors de soulever la rondelle attachée à la ficelle par un mouvement de translation vertical.
21
3.1.3. La séquence
L'ensemble des objectifs notionnels et méthodologiques de la séquence est résumé par
le tableau 3 suivant, dans lequel apparaît également le lien de chaque séance avec la
problématique de départ.
Numéro de
séance Objectif(s) notionnel(s) Objectif(s)
méthodologique(s) Lien avec la problématique
1
● Recueil des conceptions des élèves ● Les définitions
d'énergie, de source d'énergie renouvelables ou non
● Etude de textes scientifiques
● Pose des briques de bases du concept d'énergie
2
● La démarche expérimentale en technologie
● Le travail de groupe ● Réinvestissement dans un
cas concret les notions abordées en séance 1
3
● La démarche expérimentale en technologie
● La présentation à ses pairs
● Réinvestissement la notion de source d'énergie vue dans les séances 1 et 2 et introduit la transformation de l'énergie
4 ● La transformation de l'énergie
● Etude de document iconographique
● Généralisation du concept de transformation de l'énergie abordé dans un cas concret en séances 2 et 3
5
● Les avantages et inconvénients des sources d'énergie utilisées pour fabriquer l'électricité
● Travail de groupe ● Etude de supports scientifiques variés : textes, schémas, photographies
● Synthèse de l'ensemble des notions vues dans les séances 1 à 4 en ajoutant une forte dimension éco-responsable
6 ● Evaluation sommative ● Contrôle des connaissances
acquises lors de la séquence
Tableau 3. Récapitulatif de la séquence
La séquence est donc constituée de 6 séances :
- une première séance permet de recueillir des conceptions des élèves, ainsi que de
définir les notions importantes du thème de l'énergie ;
- au cours de la deuxième séance, les élèves travaillent en groupe à la réalisation
technologique de la grue à air ;
22
- la troisième séance est une mise en commun des résultats obtenus, débouchant sur
l'élaboration d'une fiche de fabrication de l'objet et de critères d'optimisation du
fonctionnement ;
- la quatrième séance aborde la notion de transfert d'énergie et de chaîne de
transformation énergétique,
- la cinquième séance réinvestit les résultats de la séance précédente à travers une étude
documentaire effectuée en groupe sur la production de l'électricité
- enfin, la sixième séance est dédiée à l'évaluation des connaissances et compétences
acquises au cours de la séquence.
3.2. Séance 1 : Les différentes sources d'énergie
3.2.1. Objectifs et dispositif de la séance
Cette séance a pour objectif d'une part de recueillir les conceptions des élèves, et
d'autre part de donner une définition aux termes d'énergie, de sources d'énergie renouvelables
et non renouvelables, au moyen d'une étude documentaire suivie d'un questionnaire. Après un
questionnement oral collectif, les élèves travaillent individuellement.
3.2.2. Déroulement de la séance
Avant de distribuer les documents, je commence par demander aux élèves ce que
représente pour eux le mot "énergie". Ce recueil des conceptions des élèves me permet de
constater que les élèves ont une conception très biologique de l'énergie : "c'est ce qui permet
de nous déplacer, de vivre", "de grandir", "de faire du sport", "c'est l'alimentation". Un élève
(dont le père travaille à EDF) aborde le côté plus technologique : "c'est l'électricité, la
puissance".
Individuellement, les élèves prennent connaissance des documents maintenant en leur
possession (à consulter en annexe 1). Je les questionne sur leur origine, afin de faire émerger
qu'ils proviennent du site internet d'EDF. Après une première lecture individuelle du
document, j'invite les élèves à exprimer les difficultés de compréhension qu'ils ont pu avoir, et
je leur donne ainsi la signification des termes inconnus. Une deuxième lecture individuelle
doit alors leur permettre de répondre au questionnaire que je leur ai distribué. Manquant de
temps pour la mise en commun et rédaction de la trace écrite, je décide alors de reporter cette
partie de la séance lors de la séance suivante.
23
La séance suivante est consacrée à la mise en commun des réponses des élèves et à la
construction au tableau des notions essentielles : qu'est-ce que l'énergie, quelles sont les
différentes sources d'énergie. Je souligne au passage que l'électricité n'est pas considérée
comme une source d'énergie, car non présente dans la nature de façon exploitable par
l'homme. Une trace écrite est ensuite distribuée et lue collectivement (voir annexe 2).
3.2.3. Analyse de la séance et pistes d'amélioration
Cette séance permet une entrée de plain pied dans le domaine de l'énergie. Le
document de recherche, pourtant issu du site d'EDF spécialisé dans l'information pour les 5-
11 ans, s'est révélé assez difficile d'accès pour les élèves et un peu trop long, ce qui a nécessité
d'étaler sur deux séances le travail initialement prévu pour une séance. Une solution à ce
problème pourrait être de sectionner le document global en plusieurs sous documents, et de
faire travailler les élèves sur différentes parties, afin de ne pas créer de surcharge cognitive.
Il est toutefois important de noter qu'au cours de la deuxième séance, les élèves ont fait
émerger toutes les idées importantes des documents, la trace écrite distribuée s'approchant
vraiment de la synthèse des réponses aux questions que j'avais notées au tableau.
3.3. Séance 2 : Réalisation technologique : la grue à air
3.3.1. Objectifs et dispositif de la séance
L'objectif de cette séance est de faire entrer les élèves dans la démarche expérimentale
en technologie, à travers une réalisation à fabriquer en groupe. En conformité avec les
caractéristiques du travail de groupe développées précédemment, j'ai choisi de former 6
groupes hétérogènes de quatre élèves chacun : les 4 CM1 ainsi que 2 élèves de CM2 au
niveau plus faible que leurs camarades sont ainsi répartis dans les 6 groupes de travail. J'ai
également pris soin de répartir les 5 élèves au comportement évoqué dans la section 3.3.1.
dans des groupes différents afin de limiter les sources de conflit éventuel.
J'ai également choisi de préparer à l'avance les trous et découpes dans les bouteilles.
En effet, j'ai jugé que cette étape de la fabrication serait longue et fastidieuse pour les élèves.
En outre, bien que riche au niveau des apprentissages (choix à faire pour la découpe des
ailettes et la position des trous), cette phase nécessite de la chaleur (flamme ou fer à souder)
pour percer les bouteilles et mettrait automatiquement les élèves en danger. J'ai toutefois
décidé de distribuer à chaque groupe des bouteilles aux découpes différentes, comme
24
synthétisé dans le tableau suivant. Ces différences sont censées faire apparaître des critères de
bon fonctionnement et d'optimisation du système : nombre d'ailettes supérieur ou égal à 3,
répartition des ailettes sur la circonférence et orientation des ailettes constante.
Numéro du Système
Nombre d'ailettes
Largeur des ailettes Remarque
1 5 Petite -
2 3 Grande -
3 3 Petite Mauvaise répartition des ailettes sur la circonférence de la bouteille
4 4 Moyenne -
5 2 Petite -
6 4 Moyenne Orientation des ailettes non constante
Au cours de la phase de recherche, chaque groupe devra également remplir un
questionnaire (à consulter en annexe 4) qui joue un double rôle : d'une part, il permet de
consigner les remarques qui émergent lors du travail de groupe et qui seront éventuellement
utiles lors de la phase de mise en commun de la séance suivante. D'autre part, le choix de
proposer un questionnaire commun pour chaque groupe s'appuie sur la conception de P.
Meirieu à propos du fonctionnement du groupe d'apprentissage, qui s'appuient à la fois sur les
différences de ses membres, mais également sur leur unité : un questionnaire unique tend vers
cette unité lors de la réponse aux questions qui doit faire l'objet d'une médiation entre les
membres du groupe. Ce questionnaire est enfin un moyen de limiter la logique de production
pouvant s'installer au sein des groupes, en leur proposant une réflexion sur l'objet à réaliser,
au-delà du bon fonctionnement ou non du système qu'ils auront réalisé.
3.3.2. Déroulement de la séance
Après une présentation orale de l'objectif de la séance (construction d'un objet et
réponse à un questionnaire) et des modalités de travail (par groupe de 4), la mise en groupe
s'effectue. Je distribue ensuite le matériel nécessaire à la fabrication de l'objet, que nous
analysons collectivement à l'oral, afin de faire ressortir les caractéristiques de chaque élément.
Les élèves remarquent ainsi que les deux grandes bouteilles en plastique sont percées d'un
trou à la même hauteur. Ils constatent également que la petite bouteille en plastique a été
25
découpée afin de dégager des fenêtres. Je leur fais également remarquer que cette bouteille est
percée au fond et au niveau du bouchon (ils n'ont alors remarqué que le trou sur le bouchon).
Le cahier des charges est alors donné : "Dans chaque groupe, vous devez essayer de
fabriquer un système qui permette de faire remonter l'écrou du sol sur la table avec de l'air en
mouvement", introduisant le terme système ; "vous avez également un questionnaire à remplir
par groupe, pour vous aider lors de la prochaine séance, où chaque groupe présentera son
système".
La phase d'investigation (formulation d'hypothèses et expérimentation) est alors menée
au sein de chaque groupe, les élèves prenant également soin de remplir le questionnaire dont
ils disposent. Des photographies prises lors de cette phase sont disponibles en annexe 5. Mon
rôle lors de cette phase consiste à apporter des réponses aux questions éventuelles des élèves,
mais surtout à réguler les relations intragroupe et intergroupe. En effet, la mise au travail au
sein des groupes s'est bien effectuée dans tous les groupes, mais les élèves sont tellement
motivés et enthousiastes par le système à réaliser qu'ils en sont également très bruyants, le
niveau sonore ayant tendance à se révéler gênant pour tout le monde : nuisance pour la
réflexion, nuisance pour la communication intragroupe. Je dois alors intervenir plusieurs fois
pour réguler le niveau de bruit acceptable lors d'une phase de travail de groupe. En outre, une
certaine rivalité a tendance à apparaître entre deux groupes : il s'agit de groupes dans lesquels
sont présentes les plus fortes individualités de la classe, et pour lesquels je dois également
intervenir pour apaiser les relations.
Enfin, je suis chargé de valider ou non le bon fonctionnement du système dans chaque
groupe une fois ce dernier terminé, après un premier test par les élèves eux-mêmes des
premières performances de leur grue à air.
3.3.3. Analyse de la séance et pistes d'amélioration
La phase d'analyse collective des éléments séparés du système à réaliser a permis à
tous les élèves de percevoir toutes les caractéristiques des éléments mis à leur disposition,
bien que ces caractéristiques leur soient imposées. Cela aura permis en mon sens d'éviter des
situations de blocage dans certains groupes à cause d'une mauvaise évaluation du matériel mis
à leur disposition.
Lors de la mise au travail en groupe, j'ai souffert du manque d'espace disponible au
sein de ma classe : le travail de groupe requiert à mon avis un espace de travail suffisant pour
chaque groupe, condition qui était remplie ; mais également un espace entre les groupes assez
important, afin de limiter les interférences souvent destructives (pour prendre une image
26
physique) pouvant naître de la trop grande proximité entre groupes : niveau sonore plus élevé,
amusement, rivalité…
L'intérêt de la réalisation technologique proposée est qu'elle ne s'appuie pas sur une
recette toute faite qui limite le champ d'expérimentation des élèves. C'est en ce sens une
véritable démarche expérimentale au sens de G. De Vecchi, où les élèves ont à imaginer des
solutions et à les mettre en œuvre. Si l'objectif initial de réaliser un système fonctionnel donne
tout son sens à la démarche technologique, elle peut avoir tendance à modifier le travail de
groupe : de groupes centrés sur les apprentissages, une majorité de groupes s'est centré sur la
production de l'objet. Ceci a eu pour conséquence positive d'engendrer une coopération
efficace au sein des groupes, tendue vers un objectif commun. Mais cela a eu aussi pour effet
d'engendrer l'exclusion des moins "compétents" pour la tâche demandée. C'est ce que P.
Meirieu définit comme un groupe de production et que j'ai présenté au préalable. Mon rôle a
donc été primordial lors de cette phase, où il m'a fallu sans cesse passer dans les groupes afin
d'une part d'écouter les élèves, mais également relativiser leur objectif d'élaborer un système
parfait, permettant ainsi à tous les membres du groupe de travailler et de coopérer. Dans la
perspective du travail en groupe d'apprentissage, il m'est également apparu important de
souligner l'importance de réfléchir et de répondre collectivement au questionnaire.
3.4. Séance 3 : Mise en commun – Synthèse
3.4.1. Objectifs et dispositif de la séance
Cette séance s'inscrit dans la démarche expérimentale en technologie, dans la suite
logique de la séance précédente. Les élèves doivent ainsi communiquer à leurs pairs comment
fonctionne leur grue à air et quels sont les critères d'optimisation qu'ils ont retenus pour un
fonctionnement le plus efficace possible. Cet objectif doit alors se concrétiser par l'élaboration
collective d'une fiche de fabrication de la grue à air. Si la discussion a lieu collectivement, la
prise de la trace écrite se fait individuellement.
Dans l'optique de construction des savoirs des élèves, cette séance permet, à travers la
manipulation et la comparaison, d'exploiter la construction technologique afin de construire
les concepts de source d'énergie et de transformation de l'énergie.
27
3.4.2. Déroulement de la séance
Après un rappel sur la séance précédente, je donne l'objectif de cette séance en
proposant aux groupes de venir présenter leurs systèmes, leurs questionnaires au format A3
étant affichés au tableau en guise d'aide. Les groupes viennent présenter leur système deux
par deux : un groupe dont le système fonctionne très bien et un groupe dont le système
fonctionne moins bien.
La démonstration de fonctionnement met rapidement en évidence deux problèmes :
d'une part, les pieds de la grue ne sont pas assez stables pour permettre un fonctionnement
reproductible. Les élèves suggèrent d'abord de fixer les pieds de la grue sur le bureau, puis de
mettre de l'eau dans les deux bouteilles faisant office de pied. Un élève de chacun des groupes
effectue alors l'opération de lestage des pieds de la grue. D'autre part, un élève observateur
fait remarquer que les démonstrateurs "ne soufflent pas pareil sur leur système", et que donc,
on ne peut pas les comparer. J'avais de mon côté anticipé ce problème en prévoyant un sèche-
cheveux, ayant en outre noté lors de la séance précédente que certains élèves considéraient
leur système comme ne fonctionnant pas bien à cause du manque de régularité et de puissance
de leur souffle.
Les démonstrations par confrontation permettent également aux élèves de mettre en
évidence l’importance de limiter les frottements entre l’axe et les pieds de la grue pour
permettre une rotation libre de l’axe ; la mise en rotation facilitée pour un système possédant
au moins 3 ailettes, cette remarque ayant été déjà noté dans un questionnaire ; que la ficelle
doit être attachée loin des ailettes, afin que son enroulement ne gêne pas la rotation. Toutefois,
certains critères ne sont que difficilement perçus par les élèves, comme la nécessité de répartir
et d’orienter les ailettes correctement autour de la bouteille.
Je termine cette phase d'étude et d'optimisation de notre système en demandant aux
élèves s'il serait possible d'utiliser une autre source d'énergie que le vent pour le faire
fonctionner. La chute de l'eau, ainsi que d'objets pesants comme des petits cailloux ou du
sable est alors suggérée par les élèves.
A l’issue de cette étude critique de leurs systèmes, j’invite les élèves à rédiger par une
dictée à l’adulte une fiche de fabrication pour notre grue à air. L’importance du contenu de la
fiche apparaît : lister d’abord les éléments nécessaires, puis leur mise en œuvre pour réaliser
un système pouvant fonctionner dans les meilleures conditions, réinvestissant ainsi les critères
listés précédemment. Pour guider les élèves, je développe l’analogie de cette fiche avec une
recette de cuisine. La fiche de fabrication est illustrée à l’aide d’un schéma technique basé sur
28
les représentations faites par les élèves lors de la séance précédente. Je complète cette trame
de schéma par des contraintes techniques : les traits doivent être faits à la règle, et le schéma
doit être légendé afin d’être compréhensible.
3.4.3. Analyse de la séance et pistes d'amélioration
Avec la phase de travail de groupe, cette phase de synthèse constitue l'épine dorsale de
la séquence. Le dispositif choisi, à savoir la démonstration du fonctionnement des systèmes
par les élèves devant le reste de la classe a bien fonctionné, bien que le fait de faire venir au
tableau deux groupes de quatre élèves ne soit pas la situation idéale pour favoriser au
maximum les apprentissages et minimiser les pertes de temps. Il aurait été plus judicieux de
ma part de ne faire venir au tableau qu'un seul élève par groupe, afin que la démonstration soit
plus claire et s'effectue dans de meilleures conditions. Cette étape de manipulation et de
confrontation entre les élèves a également été l'occasion pour les élèves d'augmenter leur
temps de parole par des discussions d'élève à élève, et non plus seulement maître/élève.
La confrontation entre les systèmes a en outre facilité la détermination des critères de
bon fonctionnement et d'optimisation du système élaboré, étape déterminante pour toute
fabrication à visée technologique. Certains critères n'ont toutefois pas pu être dégagés par les
élèves eux-mêmes, car difficiles à percevoir sur les systèmes mis en œuvre. L'importance de
la bonne répartition des ailettes, par exemple, n'est pas apparue du fait que le format des
bouteilles ne le permettait pas. De même, l'importance de l'orientation des ailettes n'a pas
semblé cruciale, hormis un certain désagrément esthétique.
La rédaction d'une fiche de fabrication du système a également retenu toute l'attention
des élèves, mais ne s'est pas déroulée dans des conditions idéales de calme à mon idée. Je
pense que cela est principalement dû au déséquilibre entre phase à l'oral et phase à l'écrit dans
ma séance : les phases de confrontation et de dictée à l'adulte constituent la majeure partie du
temps de la séance, au détriment de la phase d'écrit qui se trouve concentrée à la fin de la
séance. Il aurait ainsi été plus intéressant d'alterner au cours de la séance les phases de
comparaison des systèmes avec les phases de rédaction de la fiche de fabrication.
29
3.5. Séance 4 : La transformation de l'énergie
3.5.1. Objectifs et dispositif de la séance
Cette séance a pour but de comprendre que l'énergie disponible dans la nature est
transformée par l'homme de façon à être utilisée. La construction technologique constitue
l'entrée dans cette séance de généralisation sur la transformation de l'énergie et clôt ainsi la
démarche de recherche en technologie initiée lors de la séance 2. Pour cette quatrième séance,
les élèves doivent au préalable connaître les diverses sources d'énergie disponibles dans la
nature. Lors de la phase de découverte, ils travaillent individuellement à partir d'une
illustration extraite d'un manuel, consultable en annexe 6 ("Sciences et Technologie CM" –
Coll. Tavernier – Bordas). Une phase d'application individuelle écrite suit une courte
institutionnalisation.
3.5.2. Déroulement de la séance
A partir de l'exemple de la grue à air, j'interroge les élèves de façon à faire apparaître
au tableau la relation vent → grue à air → la rondelle remonte. Je fais remarquer aux élèves
que cette relation concerne une source d'énergie, un système, une action.
Après distribution du document, je demande aux élèves de rechercher
individuellement à l'écrit des relations du type source d'énergie → système → action à partir
des éléments présents sur l'illustration. Une phase de correction collective au tableau est
ensuite menée afin de dégager l'ensemble des relations pouvant être déduites. A l'aide des
exemples notés au tableau, nous faisons alors le constat que les sources d'énergie présentes
dans la nature sont transformées par l'homme pour être utilisées. Nous constatons également
que différentes sources d'énergie, mises en œuvre dans différents systèmes peuvent produire
la même action, en l'occurrence permettent de se déplacer. Je reviens alors à l'exemple de
notre grue à air, qui pouvait également fonctionner avec de l'eau, ou bien du sable. Une courte
trace écrite conclut cette phase de recherche, illustrée par le document et les exemples inscrits
préalablement au tableau.
Dans un deuxième temps, sur leur cahier brouillon, les élèves doivent compléter des
chaînes énergétiques, en trouvant soit le système approprié, soit la source d'énergie à utiliser.
Cet exercice est à nouveau l'occasion de mettre en lumière la pluralité de systèmes ou de
sources d'énergie pour certaines actions. Il permet également d'aborder la notion de chaîne
énergétique complexe à travers un exemple concret.
30
3.5.3. Analyse de la séance et pistes d'amélioration
Cette séance se présente à la fois comme une séance de généralisation des deux
séances précédentes centrées sur la réalisation technologique et une séance de transition vers
la séance suivante sur la fabrication de l'électricité. Dans l'optique de cette séance suivante,
elle présente la transformation de l'énergie.
Le document de travail des élèves est facile d'accès, et les systèmes représentés sont
simples à analyser, sans ambiguïté particulière. Ils permettent facilement aux élèves
d'appréhender la notion de transformation de l'énergie, tout en faisant l'économie d'entrer dans
des considérations théoriques, comme recommandé dans les documents d'accompagnement
des programmes sur le thème de l'énergie. Toutefois, je regrette que ce document ne se centre
que sur la transformation de l'énergie utile pour générer un mouvement. La phase d'exercices
présentée aux élèves s'avère donc très importante pour montrer que la transformation de
l'énergie permet d'autres actions que le déplacement. Conformément aux instructions
officielles, il n'est nullement question ici d'introduire la transformation de l'énergie d'un point
de vue quantitatif et sans formalisme. Les notions de transformation de l'énergie et de chaîne
de transformation de l'énergie sont donc simplement abordées à l'aide d'exemples concrets et
sous forme ludique.
3.6. Séance 5 : La fabrication de l'électricité
3.6.1. Objectifs et dispositif de la séance
L'électricité est la forme d'énergie qui est majoritairement utilisée par les enfants tous
les jours et si son utilisation est traitée dans les programmes, sa fabrication n'est pas
clairement envisagée, mais peut faire l'objet d'une attention particulière lors de l'étude des
besoins en énergie, consommation et économie d'énergie.
Elle relève pourtant souvent du domaine du magique pour les enfants : l'électricité est
là, à portée de main, en appuyant sur un bouton, mais ils ne savent pas d'où elle vient. Il m'a
donc semblé opportun de présenter aux élèves les différentes techniques que nous utilisons
pour fabriquer l'électricité, afin de réinvestir sur des cas concrets la notion de chaîne
énergétique. En outre, cette séance présente une orientation importante vers le développement
durable et l'écologie, puisque les avantages et les inconvénients des diverses sources d'énergie
utilisées pour fabriquer l'électricité constituent une partie essentielle de la séance.
31
Pour atteindre ces objectifs, j'ai choisi de m'appuyer à nouveau sur le travail de groupe
: chaque groupe aura à sa disposition un dossier documentaire traitant de la fabrication de
l'électricité suivant une technique : en utilisant des énergies fossiles dans les centrales
thermiques, de l'uranium dans les centrales nucléaires, de l'eau dans les centrales
hydroélectriques, du vent avec les éoliennes, et le soleil avec des panneaux solaires. L'étude
de ce dossier documentaire sera étayée par un questionnaire à remplir en groupe mettant en
valeur les points essentiels du dossier, en vue de l'élaboration d'un tableau de synthèse pour
chaque technique de fabrication de l'électricité utilisée : fonctionnement simplifié à l'aide
d'une chaîne de transformation de l'énergie, avantages et inconvénients relatifs. Les divers
dossiers documentaires ainsi que les questionnaires sont disponibles en annexe (annexe 7 à
annexe 11). Les documents fournis doivent ainsi permettre d'arriver à un tableau de synthèse
similaire au tableau 1 de la section 2.1.3.
3.6.2. Déroulement de la séance
En situation de départ, je propose aux élèves de travailler à partir d'une illustration
tirée de la vie quotidienne, dans laquelle apparaissent de nombreux objets fonctionnant à
l'aide de l'électricité. Je leur demande alors de trouver des chaînes énergétiques, comme nous
avons vu lors de la séance précédente : l'électricité est la source d'énergie de tous les systèmes
trouvés à partir de cette illustration. Je leur fait alors remarquer que nous n'avons pas
considéré, à juste titre, l'électricité comme source d'énergie : elle n'est pas présente de façon
exploitable dans la nature. La problématique de la séance est alors présentée : comment peut-
on fabriquer l'électricité ?
La constitution des groupes de travail est la même que lors de la séance de fabrication.
Les élèves prennent alors individuellement connaissance du dossier documentaire. Les
différents membres de chaque groupe échangent sur le contenu des dossiers, permettant ainsi
une compréhension globale plus fine de chacun des documents. La phase de travail de groupe
se révèle toutefois plus longue que prévue dans ma préparation. Je décide donc de différer à
une séance ultérieure la phase de mise en commun et d'institutionnalisation.
Au début de la mise en commun, chaque élève reçoit un tableau de synthèse à
compléter. J'interroge alors successivement chaque groupe à propos du travail qui a été
effectué lors de la séance précédente. En m'appuyant sur les réponses de chaque groupe au
questionnaire, nous complétons alors le tableau petit à petit, faisant apparaître pour chaque
source d'énergie considérée le nom de la centrale électrique, son fonctionnement à l'aide d'une
chaîne énergétique, ses avantages, et ses inconvénients.
32
3.6.3. Analyse de la séance et pistes d'amélioration
Cette séance m'a permis d'observer le travail de groupe au sein de la classe : les
groupes sont identiques, mais le travail à réaliser est différent. La logique de production ne
peut que très difficilement se mettre en place. En outre, en distribuant des dossiers et des
questionnaires différents à chaque groupe, j'ai ainsi tâché d'éviter toute rivalité entre les
groupes que j'avais pu constater lors de la séance de fabrication.
J'ai ainsi pu constater que la tâche à réaliser n'avait pas une incidence majeure sur le
comportement de élèves à l'intérieur de chaque groupe : les élèves ayant véritablement
travaillé en groupe lors de la séance de fabrication ont à nouveau coopéré efficacement lors du
travail de recherche documentaire ; les groupes possédant un leader très fort, parfois écrasant
pour les autres, ont également eu tendance à tomber à nouveau dans un fonctionnement centré
sur les idées du leader ; les groupes se dissipant à toute occasion lors de la phase de
fabrication ont à nouveau rencontré cet obstacle, malgré un travail proposé en apparence
moins ludique.
L'indicateur de réussite de la phase de recherche était le questionnaire auquel devait
répondre chaque groupe. Ce travail a avancé moins vite que prévu, et ce pour plusieurs
raisons à mon avis : d'une part, l'importance du dossier à traiter a été source de confusion pour
certains élèves qui ne savaient pas par quoi commencer, malgré les consignes données au
préalable. D'autre part, les élèves ont rencontré plus de difficultés de compréhension des
documents que je ne l'avais prévu. Malgré le soin que j'avais pris dans la sélection de mes
documents, les élèves ont longuement discuté entre eux de certains points, recourant
également souvent au dictionnaire. Ces éléments m'ont donc poussé à différer la séance de
mise en commun, afin de ne pas surcharger les élèves, dont je sentais l'attention décliner.
Lors de la phase de mise en commun, j'ai pu mettre en lumière la difficulté des élèves
à élaborer des chaînes complexes de transformation de l'énergie. Ce type de chaîne n'ayant
pas été étudié en profondeur, mais seulement abordé au cours d'un exemple lors de la séance
4, il est vraisemblable que le manque de pratique de ce type de transformation a été à l'origine
de cette difficulté. Toutefois, la verbalisation a permis d'élaborer collectivement les chaînes
complexes de transformation de l'énergie ayant lieu dans une centrale thermique ou nucléaire.
Par contre, les différents groupes ont mieux abordé les avantages et inconvénients relatifs à
chaque source d'énergie utilisée pour fabriquer de l'électricité, ce qui a facilité cette partie du
travail de synthèse
33
3.7. Séance 6 : Evaluation
3.7.1. Objectifs et dispositif de la séance
L'évaluation écrite proposée est constituée de quatre exercices portants sur les divers
concepts abordés au cours de la séquence. Un soin particulier a été pris de différencier la
difficulté en fonction du niveau des élèves (CM1 ou CM2)
Le premier exercice, commun aux deux niveaux, évalue la capacité à définir les termes
de sources d'énergie (non-)renouvelables, et de donner des exemples, ces notions ayant été
vue à la séance 1 et reprises aux cours des autres séances de la séquence.
Le deuxième exercice reprend la construction réalisée par les élèves lors des séances 2
et 3. Différents schémas de grue à air (3 pour les CM1, 5 pour les CM2) sont présentés aux
élèves, chaque schéma présentant un défaut ne lui autorisant pas un fonctionnement optimal.
Les élèves doivent analyser différents schémas afin d'expliquer ce qui ne fonctionne pas
correctement dans le montage. Cet exercice évalue donc la capacité des élèves à observer un
schéma explicatif, ainsi que la capacité à exprimer les résultats d'une recherche en utilisant un
vocabulaire scientifique à l'écrit.
Le troisième exercice reprend l'illustration utilisée lors de la séance 4 sur la
transformation de l'énergie. Il est alors demandé aux élèves de remplir des chaînes de
transformation énergétiques simples. Suivant le niveau des élèves, ces chaînes sont plus ou
moins partiellement complétées.
Le dernier exercice évalue les connaissances acquises lors de la séance 5, à savoir
d'une part nommer les différents types de centrales électriques suivant la source d'énergie
utilisée. D'autre part, cet exercice évalue également les connaissances des élèves à propos des
avantages et inconvénients de la fabrication de l'électricité à partir de sources d'énergie
renouvelables ou non, en différenciant à nouveau suivant le niveau des élèves : les élèves de
CM1 doivent citer un nombre d'avantages et d'inconvénients moindre que les élèves de CM2.
L'évaluation complète (celle des élèves de CM2) est disponible en annexe 12.
3.7.2. Déroulement
Après lecture individuelle de chaque exercice, j'en fais une lecture à haute voix. Je
demande alors aux élèves s'ils ont des difficultés particulières à comprendre certaines parties
34
de l'énoncé. Les élèves disposent alors de 40 minutes pour effectuer l'évaluation,
individuellement.
3.7.3. Analyse et pistes d'amélioration
Cette évaluation a permis d'évaluer les divers points travaillés au cours de cette
séquence, hormis la qualité du travail de groupe fourni lors des séances 2, 3 et 5.
Les notions de source d'énergie renouvelables et non renouvelables sont dans
l'ensemble très bien comprises et permettent à une très large majorité d'élèves d'obtenir de très
bons résultats aux exercices 1 et 4. De même, la notion de transformation de l'énergie évaluée
dans l'exercice 3 a donné de bons résultats
Par contre, j'ai été déçu et surpris des réponses fournies par les élèves dans l'exercice
2. Si la plupart des élèves ont su identifier avec justesse l'élément défectueux dans les
diverses grues à air proposées, seulement 4 d'entre eux ont su correctement expliquer
pourquoi les situations proposées ne fonctionneraient pas. Je pense que ma consigne écrite et
la reformulation orale n'ont pas été assez explicites quant aux attentes que j'avais au sujet de
cet exercice.
35
4. Conclusion
Nous avons pu voir à travers ce mémoire que le concept d’énergie regroupe des
connaissances dans le domaine de la physique, mais possède également une forte dimension
éco-citoyenne qu’il est indispensable de développer chez les élèves de cycle 3.
En m’appuyant sur les instructions officielles, la fabrication d’une grue à air par les
élèves a été le pivot de la séquence que j’ai menée. Au delà des spécificités de la démarche
expérimentale en technologie, cette réalisation technologique conduite en groupe me semble à
posteriori parfaitement adaptée pour travailler avec pertinence les notions de sources
d’énergies, renouvelables ou non, ainsi que la notion de chaîne de transformation de l’énergie.
Cette réalisation aura permis de capter toute l’attention des élèves sur une thématique assez
aride à priori. Toutefois, cette réalisation technologique et son exploitation par des
questionnaires et la rédaction d’une fiche de fabrication ne suffisent pas à mon avis à forger le
concept d’énergie. Il me semble indispensable d’effectuer d’une part un travail en amont avec
les élèves, afin de définir des points de vocabulaire qui pourraient les bloquer par la suite.
D’autre part, en aval de la réalisation technologique, il m’est apparu essentiel d’effectuer une
généralisation des notions seulement abordées lors de la fabrication, et permettant une
ouverture sur une thématique plus large de l’utilisation des sources d'énergies dans l’optique
d’un développement durable et d’une éco-responsabilité.
D’un point de vue personnel, cette séquence aura permis de démystifier le travail de
groupe et de balayer beaucoup de mes craintes à son sujet. Je me rends compte toutefois
qu’une préparation préalable des élèves à ce type de dispositif est nécessaire et peux rendre
les apprentissages bien plus efficaces. J’ai également perçu tout le plaisir qu’éprouvaient les
élèves à fabriquer un objet en groupe, à se questionner, à chercher des solutions, à
s’enthousiasmer… C’est cette curiosité qu’il m’apparaît important de bonifier en utilisant un
dispositif pédagogique adapté, afin de permettre aux élèves d’aujourd’hui de trouver leur
place dans la société de demain.
36
5. Bibliographie
COLLECTIF. 1997. Cahiers Pédagogiques– Le travail de groupe. Septembre1997, n°365.
MEIRIEU, Philippe. 1997. Groupes et Apprentissages. Connexions. 1997, n°68.
DE VECCHI, Gérard. 2006. Enseigner l’expérimental en classe : pour une véritable
éducation scientifique. Paris : Hachette Education.
TERNAT, Claude Annie. 2005. De la Leçon de choses à la main à la pâte : l’enseignement
des sciences à l’école de la République (1887 – 2001). Sur la Brèche. Mars – Avril 2005,
n°87 – 88.
AUVERLOT, Daniel, DENIS, Bernard, FONTAINE, Christian, KAZMIEROWSKI, Jean-
Claude, LYOEN, Dominique. 1997. Sciences et Technologie : Mécanismes et Energie, Cycle
des Approfondissements. Lille : CRDP du Nord Pas-de-Calais
FRANCE, Ministère de l’Education Nationale, de la Jeunesse et des Sports. Les programmes
et les horaires de l’école primaire. Bulletin officiel du Ministère de l’Education Nationale
hors-série n°3 du 19 juin 2008.
La Main à la Pâte : http://lamap.inrp.fr/
37
38
IUFM de l'Académie de Montpellier Centre de Nîmes Année 2008 – 2009
Comment forger le concept d'énergie au cycle 3
ANNEXES Jean-Philippe TOURRENC
Tuteur : Mr. Bernard TRINQUIER
Assesseur : Mr. Vincent SPIEGEL
39
Table des annexes
ANNEXE 1 : Documents de recherche de la séance 1 ................................................... 40 ANNEXE 2 : Trace écrite distribuée lors de la séance 1 ............................................... 43 ANNEXE 3 : Une grue à air ............................................................................................. 44 ANNEXE 4 : Questionnaire de la séance 2 ..................................................................... 45 ANNEXE 5 : Les élèves lors de la fabrication ................................................................ 46 ANNEXE 6 : Document de découverte de la séance 4 ................................................... 47 ANNEXE 7 : Documents de recherche de la séance 5 : Centrales thermiques ........... 48 ANNEXE 8 : Documents de recherche de la séance 5 : Centrales nucléaires ............. 51 ANNEXE 9 : Documents de recherche de la séance 5 : Centrales hydroélectriques .. 54 ANNEXE 10 : Documents de recherche de la séance 5 : Eoliennes .............................. 57 ANNEXE 11 : Documents de recherche de la séance 5 : Solaire .................................. 59 ANNEXE 12 : Evaluation proposée aux CM2 ................................................................ 62
40
ANNEXE 1 : Documents de recherche de la séance 1
41
42
43
ANNEXE 2 : Trace écrite distribuée lors de la séance 1
44
ANNEXE 3 : Une grue à air
Rondelle à soulever
Ailette
Axe formé d’une pique à brochette
45
ANNEXE 4 : Questionnaire de la séance 2
46
ANNEXE 5 : Les élèves lors de la fabrication
Des choix de construction …
… parfois mauvais
Il faut que ça tourne !
47
ANNEXE 6 : Document de découverte de la séance 4 Tiré de "Sciences et Technologie CM" – Coll. Tavernier – Bordas
48
ANNEXE 7 : Documents de recherche de la séance 5 : Centrales thermiques
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51
ANNEXE 8 : Documents de recherche de la séance 5 : Centrales nucléaires
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54
ANNEXE 9 : Documents de recherche de la séance 5 : Centrales hydroélectriques
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57
ANNEXE 10 : Documents de recherche de la séance 5 : Eoliennes
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59
ANNEXE 11 : Documents de recherche de la séance 5 : Solaire
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ANNEXE 12 : Evaluation proposée aux CM2
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