Ecole Clémenceau, Grenoble, classe de CE2 de Carole Capecci
Anne et Adrien
Adrien et moi sommes intervenus six après-midis dans cette classe autour du thème des changements d’état de l’eau
et du cycle de l’eau. Avec les élèves, nous avons mis en place des expériences
pour répondre aux défis que nous leur proposions.
Séance 1 « Qu’est-ce que je connais de l’eau ? »
Cette question d’introduction
permet aux élèves de se rappeler leurs cours des années précédentes et de
situer le contexte de nos interventions. Tout d’abord, les élèves ont remplis
individuellement le tableau suivant :
Où est-ce que je trouve de l’eau ?
|
Quelle forme a cette eau ?
|
Ensuite,
nous avons mis en commun l’ensemble des réponses au tableau. L’idée est de
faire ressortir deux formes principales aux caractéristiques différentes.
Puis
deux bouteilles ont été présentées à la classe : l’une contenant de l’eau
liquide, l’autre de l’eau à l’état solide. Ensemble, on en a déduit qu’il existe
plusieurs formes d’eau, appelées états de l’eau. Les caractères déjà connus des
deux états ont été énoncés par la classe : l’eau solide est froide, dure. Une
feuille de papier ne peut pas l’absorber.
« Comment fabrique-t-on de la glace (avec le matériel
présenté devant vous) ? »
La question est posée en
classe entière de manière générale d’abord, puis avec l’idée qu’on va réaliser la
fabrication dans la classe avec le matériel présenté. Le matériel en question
est constitué d’un bain réfrigérant, de pots de confiture, de tube à essais,
d’eau et d'entonnoirs. Le mélange réfrigérant est composé de sel et de glace. Il a une
température de solidification plus basse que la glace seule et peut donc
refroidir l’eau liquide.
Chaque groupe d’élèves a mis
au point son protocole d’expérience. Des élèves ont mélangé le mélange
réfrigérant à l’eau testée. Evidemment, ils n’ont pas obtenu de glace ! Certains ont choisi un protocole adapté mais n’ont
pas eu la patience d’attendre que la glace se forme. Le premier groupe qui a
réussi avait mis entonnoir sur le tube. Certains ont voulu les copier et ont mis
l’entonnoir également. Certains ont bu un peu de mélange aussi…
Après une mise en commun, nous établissons ensemble un protocole :
verser de l’eau
dans un tube à essais
le placer dans un pot contenant du mélange réfrigérant
observer la
formation de la glace
enlever le mélange réfrigérant du pot
attendre que la glace fonde
constater qu’on est revenu strictement au point de départ.
Nous les avons aidé à formuler leurs hypothèses en
petit groupe , puis à décrire leurs expériences, avec des dessins ou par écrit.
Une feuille organisant le travail leur était fourni pour leur faciliter la
tâche (ce que je pense avant, schéma de l’expérience que je veux faire, mon
expérimentation, ce que je comprends).
A la fin, on établit ensemble
ce qu’on peut comprendre de cette expérience : la glace et l’eau liquide
sont la même matière sous différentes formes, appelés états de l’eau.
Séance 2 « L’eau liquide et la glace sont la même matière, mais
quelles sont leurs différences ? »
Quelques minutes de réflexion
individuelle puis en petits groupes autour de cette question ont débuté cette séance. Ils ont listé toutes les différences possibles. Traduits en langage adulte, on obtient 5
paramètres : volume, température, poids, forme (adaptabilité), dureté. On les prévient qu’on en testera ensemble que
trois.
L’adaptabilité est vue en classe entière. Nous avions amené une
bouteille d’eau congelée. En découpant le plastique, on sort la glace. Elle
garde la forme de la bouteille. Si on cherche à la mettre ailleurs ensuite,
elle ne change pas de forme. A
l’inverse, l’eau liquide prend systématiquement la forme du récipient qui la
contient.
« Est-ce que l’eau solide prend-elle plus de place que l’eau liquide ?
On établit également ensemble
comment faire pour observer une variation de volume. Le matériel présenté était le même que celui de la séance
précédente plus un marqueur. Les élèves trouvèrent rapidement qu’il fallait
refaire l’expérience de la semaine précédente
en rajoutant une marque (pédagogie :
repère essentiel dans une comparaison) au stylo pour vérifier la hauteur dans le tube, et donc le
volume. Avant de démarrer toute expérience, nous leur avons demandé d’établir
leurs hypothèses. Tous imaginaient l’eau solide plus lourde et plus
volumineuse. Ils la conçoivent « encombrante ». Certains n’avaient
pas réalisé la bonne expérience la semaine précédente, ce fut l’occasion pour
eux de la faire. Ils en étaient ravis!
On conclut ensemble qu’il y a autant
d’eau au début et à la fin ce qui signifie qu’il n’y a pas de pertes lors de ces transformations.
On remarque également que l’eau solide
prend plus de place que l’eau liquide.
Séance 3 « Est-ce que l’eau solide pèse plus ou moins lourd
que l’eau liquide ? »
Après un retour sur ce qu’on avait vu la dernière fois,
nous avons attaqué la question du poids. Nous avions ramené deux balances de
Roberval en plus du matériel précédent. Pour aller un peu plus rapidement que
la dernière fois, nous avions déjà gelé l’eau dans les tubes à essais. Avant de démarrer toute expérience, nous leur
avons demandé d’établir leurs hypothèses. Pour faciliter cette tâche,
nous avions prévu des feuilles contenant déjà les schéma ci-dessous. Tous étaient persuadés que l’eau
solide était plus lourde.
Ils ont ensuite réalisé cette
expérience par petits groupes de 4. Il est alors apparu clairement que l’eau
solide était plus volumineuse… et plus lourde ! Six groupes avec le même
résultat ! Nous leur avons fait part de notre étonnement. Nous en avons
déduit qu’il était probable qu’en voulant réchauffer la glace dans le tube à
essai, ils avaient fait tomber quelques gouttes d’eau par terre et donc faussé
la mesure. Nous avons convenu avec eux de ramener la fois suivante (à la séance 4) un pot de
confiture fermé, contenant de la glace, qui resterait posé sur la balance
Roberval jusqu’à ce que l’eau
devienne liquide.
Séance 4 « Vapeur ? »
Cette fois, pas de question, seulement des observations.
Répartis en petits groupe, ils devaient faire deux des trois expériences
suivantes. Comme tout le monde ne fait pas toutes les expériences, il est
important qu’ils écrivent et/ou dessinent ce qu’ils observent de manière à le
transmettre (pédagogie : observation
doit être transmissible)
1) Quand je souffle sur ma main, qu’est-ce que je
sens ? Qu’est-ce que je vois ? Quand je souffle dehors, est-ce que
quelque chose apparaît ? Qu’est-ce que ça devient ? (Merci l’hiver
rigoureux.)
2) Quand je souffle sur un miroir ou sur la fenêtre,
qu’est-ce que j’observe sur la surface du miroir ? Est-ce
humide ?
3) J’ai une bouteille pleine d’eau froide. Qu’est-ce qui
apparaît sur la surface de la bouteille ? est-ce que ça revient si je
l’enlève ? D’où provient cette eau ? Et si je vide la bouteille,
est-ce que la buée apparaît à nouveau ?
Pendant la mise en commun, les
élèves dressent des hypothèses d’explication des phénomènes observés (pédagogie : hypothèse peut être
faite à partir d’observation et doit alors être confirmée). Toutes ces
expériences permettent aux élèves de sentir qu’il existe des choses invisibles,
qu’on peut sentir autrement. L’air n’est donc pas vide. De l’eau liquide peut
venir de l’air. Il y a donc de l’eau dans l’air. L’eau sous cette forme est invisible. C’est un gaz. On dit que l’eau est sous forme vapeur.
Pour vérifier ces hypothèses,
on va essayer la séance prochaine d’enclencher le phénomène inverse. A la place
de révéler l’eau sous forme vapeur, on va transformer de l’eau liquide en eau
vapeur. On passe de la condensation à l’évaporation.
Comme prévu la séance précédente, nous avions ramené un pot de confiture fermé rempli de glace que nous avons laissé sur la balance Roberval. Pour qu'il soit clair que l'eau liquide a exactement la même masse que l'eau solide, nous avions rempli le pot avec beaucoup d'eau. Du coup, la glace n'était pas encore fondu lorsque nous avons fini cette séance. Nous avons alors décidé de laisser le pot sur la balance. Ils devaient nous dire le résultat de la pesée la séance suivante.
Comme prévu la séance précédente, nous avions ramené un pot de confiture fermé rempli de glace que nous avons laissé sur la balance Roberval. Pour qu'il soit clair que l'eau liquide a exactement la même masse que l'eau solide, nous avions rempli le pot avec beaucoup d'eau. Du coup, la glace n'était pas encore fondu lorsque nous avons fini cette séance. Nous avons alors décidé de laisser le pot sur la balance. Ils devaient nous dire le résultat de la pesée la séance suivante.
Séance 5 « Comment puis-je mettre de l’eau dans l’air ? »
Avant de démarrer cette séance, on
fait un retour sur l’expérience mise en place la semaine dernière : «L’eau solide pèse-t-elle plus ou moins lourd
que l’eau liquide ? ». Il s'agit alors de vérifier que l’eau liquide est plus légère que l’eau solide. Et bien, oui ! Alors soit les bases de
la physique et de la chimie actuelle sont à revoir. « Rien ne se crée,
rien en se perd, tout se transforme » est à modifier ; soit il y a eu
un souci (imprécision de la balance…), soit certains ont tellement voulu avoir
raison qu’ils ont aidé à ce que ça le soit ! En tout cas, on leur a fait
part de notre étonnement, sans bien pouvoir
y changer quelque chose. Tant pis ! Ce sont les risques de ce type
d’enseignement !
La séance elle-même commence par
une expérience bien connue de tous. On met de l’eau dans une bouilloire et l’eau
s’évapore. Elle part dans l’air.
Ensuite, les élèves réfléchissent
à 5 situations de la vie quotidienne
présentées sur une feuille. Dans chaque cas, il y a un élément qui contient de
l’eau liquide et cet élément sèche. Lorsque l’élément passe de l’état mouillé à
l’état sec, que devient l’eau ?
Comment a-t-on fait dans chacun des cas pour mettre de l’eau dans
l’air ?
On en déduit qu’il y a deux paramètres essentiels : la
chaleur et le vent. Nous rajoutons la taille de la surface.
« Quel facteur est le plus efficace ? »
Pour répondre à cette
question, les élèves avaient à leur disposition des gobelets et des petits
récipients (plus grande surface), les radiateurs de la classe, un ventilateur
et un sèche-cheveux . Chaque petit groupe choisissait l’expérience qu’il
souhaitait réaliser.
Ensemble, on a établit à l’oral
les critères de chaque protocole :
-
un seul facteur à la fois devait être testé.
-
il fallait comparer les temps mis pour la même
quantité d’eau dans deux situations : une situation permet de tester,
l’autre sert de témoin.
Nous aurions souhaité pouvoir comparer les facteurs entre
eux. Pour cela, il aurait fallu que tous ait la même quantité d’eau au départ. Mais
nous n’avons pu réussi à nous organiser suffisamment tôt pour cela. Nous avons
mis en place les expériences. Chaque groupe devait relever au cours de la
semaine la hauteur de l’eau dans ses récipients, et vérifier ainsi l’impact du
facteur testé.
Séance 6 Bilan, le cycle de l’eau
On a commencé par un retour sur
l’expérience mise en place de la semaine précédente. Malheureusement, certaines expériences n’avaient
pas assez d’eau pour observer une différence. Tout s’était évaporé dans le
premier jour ! Le ventilateur avait été débranché pendant la semaine. L’eau
ne s’était donc absolument pas évaporée, alors que l’agitation de l’air est
censé être le système le plus efficace ! Nous avons quand même pu faire un
bilan. Les élèves ont attesté de l’efficacité de ces trois facteurs.
Ensuite, nous avons réalisé
devant eux une modélisation du cycle de l’eau : dans une boîte fermée en
plexiglas, un plan incliné (montagne) + de l’eau liquide en bas (lac). Le soleil
chauffe au dessus (lampe 100 Watts). Le sommet de la montagne est glacé (glace
dans une casserole). Comme il faut
attendre bien 45 minutes pour voir apparaitre les premières gouttes de pluie,
nous avons visionné une cassette sur le cycle de l’eau empruntée par la
maîtresse.
De retour en classe, nous
avons dessiné ensemble le cycle de l’eau au tableau en rappelant les noms des
états et des transitions vues au cours de ces séances. Le soleil chauffe l’eau
du lac qui s’évapore. L’eau évaporée se condense dans l’atmosphère plus froide
(ici glacier) : il pleut. Etc etc… Nous avons également tracé une
échelle de température. A l’aide de questions simples telles « Dans les
expériences précédentes, on dit que l’eau s’est évaporée, qu’est-ce que cela
signifie ? D’où provenait l’eau sur les parois de la bouteille ? Que
devient l’eau liquide qu’on refroidit ? Que se passe-t-il si on la
réchauffe ?... » , nous avons vérifié que l’essentiel des notions
était compris.
Puis les élèves
ont tour à tour observé la modélisation du cycle.
Enfin, pour expliquer que tous
les autres matériaux peuvent connaître ces trois états mais à des températures
différentes, nous avions ramené de
l’azote liquide. Versé sur le sol,
l’azote liquide se transforme instantanément en vapeur. Pour finir sur une
touche un peu plus spectaculaire aussi !
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