Sciences de la vie et de la Terre

1. Professeur expérimentateur

Guillaume Berthelot, Collège Jean de la Fontaine, Le Mée-sur-Seine (77)

2. Liaison avec le programme et place dans la progression

Niveau concerné : fin de cycle 4.

Partie du programme : la planète Terre, l’environnement et l’action humaine - expliquer quelques phénomènes météorologiques et climatiques.

Place dans la progression : cette séance a été menée dans le but de permettre aux élèves de mieux comprendre l’effet de serre.

3. Motivation et problème à résoudre

Les élèves ont des difficultés à comprendre l’effet de serre. Les représentations schématiques de l’effet de serre laisse souvent à penser que soit que la chaleur est piégée par un "couvercle", soit que le rayonnement solaire "réfléchit" sur l’atmosphère pour revenir vers le sol. Comprendre que l’effet de serre correspond à l’absorption du rayonnement infrarouge par l’atmosphère et, en conséquence, à l’émission d’un nouvel rayonnement thermique par l’atmosphère est difficile pour des élèves de cycle 4.

Ils ont notamment des grandes difficultés à concevoir qu’un corps à température ambiante (tel que l’atmosphère) puisse émettre un rayonnement. C’est dans cette optique qu’une séance a été conçue afin que les élèves fabriquent un capteur de rayonnement infrarouge à l’aide d’un microcontrôleur dans le but de "voir" ce rayonnement.

En résumé : est-ce que l’usage des microcontrôleurs permet aux élèves de comprendre qu’un objet tel que la Terre ou l’atmosphère avec une température inférieure à 30 °C émet bien un rayonnement thermique ?

4. Connaissances et compétences associées

5. Les outils numériques utilisés

Outil 1 : microcontrôleur Arduino et différents capteurs.

Figure 1 : la carte Arduino

Outil 2 : logiciel de programmation en ligne Vittasciences(également accessible via la plateforme Capytale)

Figure 2 : logo de la solution Vittascience

Outil 3 : parcours pédagogique scénarisé réalisé sur Twine

Dans le but de faciliter les partages, le parcours pédagogique a aussi été adapté pour l’utiliser et l’importer dans la plateforme ELEA.

6. Cadre de référence des compétences numériques :

Domaine 3 : création de contenu

Programmer - Niveau 3

7. Déroulement global de la séance

Après avoir rappelé le rôle des rayons solaires sur les grandes zones climatiques, le phénomène d’effet de serre a été expliqué aux élèves. Ensuite, un parcours pédagogique scénarisé leur a été proposé. Celui-ci permet dans un premier temps de vérifier qu’ils ont compris les explications données puis ensuite de les lancer dans une démarche scientifique. Ils devront in fine répondre à la question suivante : est-ce qu’un objet tel que la Terre ou l’atmosphère avec une température inférieure à 30 °C émet un rayonnement thermique ?

Les élèves suivent les consignes du parcours pédagogique scénarisé pour mener une démarche scientifique, construire un capteur au rayonnement infrarouge et s’en servir pour vérifier qu’un objet à température ambiante émet bien un rayonnement. Ensuite, ils finissent en concluant et en revenant sur le fait que l’atmosphère est bel et bien capable d’émettre un rayonnement.

8. Indications pratiques sur cette séquence

Durée : cette séance s’est déroulée sur un créneau de 55 minutes.

Coût : elle nécessite l’achat de carte Arduino ( 30€ ), d’un Shield Arduino Grove ( 10€), d’un module LED Grove ( 7€), d’un détecteur de mouvement infrarouge PIR Grove TM2291 ( 10€) soit un total de 60€ environ (LED = light-emitting diode en anglais, diode électroluminescente en français (abrégé en DEL)).

Ces coûts peuvent être fortement réduits si l’on emprunte ce matériel aux enseignants de technologie qui sont souvent déjà équipés. C’est le cas de l’établissement où l’expérimentation a été réalisée : les enseignants de technologie possède une mallette avec 12 exemplaires de chaque matériel.

Note 1 : le Shield est un module sur lequel on clipse la carte Arduino et qui permet d’augmenter les capacités de cette carte. Il permet entre autres de disposer de nombreuses connectiques "Grove".

Note 2 : le mot "Grove" désigne un ensemble de modules prêt à l’emploi possédant des connectiques inter-opérables. Il n’y a donc pas besoin de souder les câbles. Il suffit juste de clipser les câbles entre la carte et les capteurs.

Prise en main par l’enseignant :
– moyennement intuitive : la première fois, l’usage de microcontrôleur demande un certain temps d’appropriation. Toutefois la plateforme Vittascience est très bien faite et accompagne bien les professeurs. Elle propose notamment des kits prêt à l’emploi avec le protocole et des kits contenant tout le matériel nécessaire.

Cette séance a été créée par l’enseignant expérimentateur sans utiliser les ressources mises à disposition par Vittascience ; vous trouverez ce parcours pédagogique scénarisé, vous avez la possibilité de le télécharger et réaliser l’activité intégrale comme les élèves depuis votre navigateur pour le tester.

Vous serez accompagné et aidé pour chaque étape. Cela vous permettra (c’est le souhait du professeur expérimentateur) de mieux comprendre le fonctionnement des cartes Arduino et d’interface Vittascience et, finalement de se rendre compte que l’usage des microcontrôleurs peut se révéler, dans une certaine mesure, tout à fait accessible et pertinent en S.V.T.

Prise en main par les élèves :
– plutôt très intuitive puisque tous les binômes de classes qui ont expérimenté ce projet ont réussi à construire le capteur et à mesurer la présence de rayonnement infrarouge. Quelques élèves, toutefois, n’ont pas eu le temps de finir la démarche scientifique dans laquelle ils s’étaient engagés car la programmation leur a pris plus de temps que prévu.

9. Déroulement détaillé de la séquence

Au cours de cette séance, les élèves avaient accès à un ordinateur et ont pu suivre le parcours pédagogique. Dans ce parcours, ils devaient répondre à différentes questions pour avancer et leur permettre de se questionner. A un certain moment, le parcours invitait les élèves à se lever et à récupérer en autonomie le matériel sur le bureau du professeur. Ensuite, des indications permettaient aux élèves d’assembler les cartes Arduino avec les capteurs grâce à des câbles Grove.

Figure 3 : montage de la carte, du Shield et des capteurs

Puis les binômes d’élèves devaient programmer la carte pour que la LED s’allume uniquement lorsque le capteur détectait un rayonnement thermique. Pour cela, le parcours numérique contenait un lien URL qui renvoyait les élèves sur la plateforme Vittascience. Il s’agit d’une plateforme complète qui permet de nombreuses fonctionnalités et notamment de faire de la programmation par blocs. Avant la séance, l’enseignant avait pris soin de créer un fichier public et accessible à tous dans lequel les différents blocs de programmation étaient disposés afin que les élèves aient "seulement" à assembler logiquement ces blocs.

note : l’enseignant n’avait pas besoin de récupérer les travaux des élèves pour les évaluer. Il a donc proposé à ses élèves de passer directement par la plateforme Vittascience. Toutefois, cette plateforme aurait pu être remplacée par la plateforme CAPYTALE si le besoin était de récupérer les algorithmes des élèves individuellement.

Figure 4 : les blocs à assembler dans Vittascience avant et après assemblage

Par la suite, les élèves ont vérifié avec leur capteur si un objet chaud (tasse avec eau chaude) et un objet à température ambiante (tasse avec eau du robinet laissé dans la salle depuis quelques heures) émettaient tous les deux un rayonnement.

Figure 5 : le montage final pour réaliser les mesures.

Note 3 : le capteur PIR a été glissé dans un tube de papier toilette pour éviter les perturbations alentours.

Note 4 : un bloc de froid a été utilisé comme fond. En effet, le capteur Grove PIR détecte une variation de l’émission du rayonnement infrarouge. Lors du test de la séance en amont, le capteur ne détectait donc pas la tasse avec de l’eau à température ambiante puisque le "décor" était à la même température que la tasse. L’idée de placer un bloc de froid devant le capteur pour servir de fond s’est donc imposée.

Enfin, les élèves ont pu rédiger leur conclusion et revenir sur la notion d’effet de serre.

10. Exemples de travaux d’élèves

Voici un exemple de travail rédigé par un binôme d’élèves au cours de cette séance. Ce qui est écrit en gras est la production des élèves. Le reste est une synthèse conçue par l’enseignant dans laquelle s’intègre leur travail.

Figure 5 : une production numérique des élèves

J’ai approfondi mes connaissances sur le fonctionnement du climat. J’ai notamment découvert que l’atmosphère émettait un rayonnement thermique qui réchauffait le sol de la planète une seconde fois.

QUESTION : est-ce qu’un objet tel que la Terre ou l’atmosphère avec une température inférieure à 30 °C émet bien un rayonnement thermique ?

PROTOCOLE : j’ai proposé un protocole pour chercher des preuves afin de répondre à la question.

Avoir un objet à température ambiante (20°C),objet chaud(+30°C),1 capteur de rayonnement thermique

Prendre un objet à température ambiante (20°C) puis mettre par dessus un capteur de rayonnement thermique puis noter les résultats. Enfin comparer les résultats

Prendre un objet chaud (+30°C) puis mettre par dessus un capteur de rayonnement thermique puis noter les résultats. Enfin comparer les résultats.

TEST : pour réaliser le protocole, j’ai construit un capteur de rayonnement thermique à l’aide d’une carte électronique Arduino. J’ai ensuite programmé le code pour que le capteur fonctionne correctement.

J’ai alors pu faire les mesures.

RÉSULTATS :

objet à température inférieure à 20°C	la LED s’allume
objet avec une température supérieure à 30°C	la LED s’allume

INTERPRÉTATION :
je vois qu’avec un objet à température inférieure à 20°C, la LED s’allume et avec un objet avec une température supérieure à 30°C, la LED s’allume quand même.
J’en déduis qu’un objet tel que la Terre et l’atmosphère (température inférieure à 30°C) peut émettre un rayonnement thermique.

11. Retours des élèves

Les élèves ont beaucoup apprécié utiliser les microcontrôleurs. C’était l’occasion pour eux d’expérimenter une utilisation concrète. D’autre part, il se trouvait que le collège de physique-chimie de l’établissement utilisait lui aussi les microcontrôleurs durant la même période (il a été d’une aide précieuse dans l’appropriation des microcontrôleurs). Cette double utilisation SVT/PC a ajouté du sens aux élèves sur le potentiel et l’intérêt des microcontrôleurs en sciences.

12. Analyse et évaluation du dispositif par l’enseignant

Plus-values dégagées :lors des évaluations de fin de séquence, les élèves ont mieux compris le schéma de l’effet de serre que les années précédentes car ils ont "vu" qu’un corps à température ambiante émettait bel et bien un rayonnement infrarouge. D’autre part, ils ont également sûrement mieux compris que ce n’était pas les rayonnements infrarouges qui réfléchissaient sur l’atmosphère mais bien l’atmosphère qui se réchauffait et émettait un nouveau rayonnement thermique.

Difficultés rencontrées :
comme pour toutes les expériences, il faut tester avant la séance que tout fonctionne correctement. Le temps passé à trouver les bons réglages pour les codes mais aussi pour l’astuce du rouleau de papier-toilettes ou du bloc de froid n’est donc pas négligeable.

Note 5 : il existe un capteur de lumière visible, infrarouge et UV Grove (réf : SI1145) mais la longueur d’onde détectée est différente de celle émise par les objets. Ce capteur permet en réalité de recevoir les infrarouges émis par des modules émetteurs ou des télécommandes.

Malgré le fait que le parcours numérique a beaucoup guidé les élèves, cela reste une séance intense pour le professeur, surtout en fin de séance quand certains capteurs ne fonctionnent pas correctement et qu’il faut déboguer plusieurs groupes. Le plus souvent, il fallait recourir au matériel des binômes voisins qui avait fonctionné pour parer au plus vite.

On pourrait se ménager en demandant aux élèves de créer le détecteur, s’assurer qu’il fonctionne en passant leur main devant le capteur et, à la fin de la séance, réaliser la bonne expérience une seule fois devant toute la classe en prenant un montage parmi ceux des élèves.

13. Un prolongement au collège

Au collège, on pourrait imaginer une séance sur le même modèle où l’on demanderait cette fois-ci aux élèves de créer un capteur de température afin de mesurer la chaleur émise par un muscle en activité et un muscle au repos. Ce dernier pouvant être efficacement modélisé par un échantillon de viande (steak). Ce serait donc une séance qui se déroulerait en début de cycle 4, c’est-à-dire avant la séance présenté dans cet article. Ainsi, les élèves auraient l’occasion de manipuler deux fois les microcontrôleurs en SVT au cours du cycle et donc de réactiver leurs connaissances.

14. Une piste d’adaptation au lycée

Au lycée, on peut conserver l’essentiel de la séance en laissant davantage d’autonomie aux élèves lors de l’étape de programmation. On pourrait par exemple ne pas donner les blocs ou proposer de programmer directement en python. On pourrait aussi envisager de remplacer la LED par un écran qui afficherait un message en fonction de la présence ou absence de rayonnement infrarouge.