Sciences de la vie et de la Terre

1. Professeur expérimentateur

Romain Le Goff, Collège Josette et Maurice Audin, VITRY-SUR-SEINE (94)

2. Liaison avec le programme et place dans la progression

Niveau concerné : fin de cycle 4 (4e ou 3e)

Partie du programme : la planète Terre, l’environnement et l’action humaine – identifier les principaux impacts de l’action humaine, bénéfices et risques, à la surface de la planète Terre.

Place dans la progression :
les élèves ont déjà travaillé sur d’autres risques. La notion est donc remobilisable. Ils ont déjà étudié le réchauffement climatique ; le lien mais aussi la distinction pourra être faite avec la pollution (particules fines, etc.). La circulation de l’air en lien avec l’inégale répartition des températures par exemple a été abordée. Les élèves ont déjà acquis des compétences en programmation (blocs).

3. Motivation et problème à résoudre

Selon Santé publique France, la qualité de l’air en Île-de-France est un enjeu majeur. La diminution de 40% de la pollution depuis 2010 aurait permis d’allonger l’espérance de vie de huit mois en moyenne. L’impact sur la santé des particules fines PM2,5 liées aux activités humaines reste encore important, de nouvelles mesures peuvent être prises pour passer sous les seuils préconisés par l’OMS, afin d’éviter environ 7900 décès par an. Les élèves franciliens peuvent donc être particulièrement sensibles à ce risque lié aux activités humaines et peuvent s’engager dans la recherche de mesures à prendre pour l’atténuer. Ce risque touche également d’autres thématiques du programme, comme la santé. La qualité de l’air peut être mesurée, des modélisations peuvent être étudiées voire réalisées. Le traitement des données prend une place centrale.

En résumé : comment mobiliser et développer les compétences numériques des élèves au cours d’une séquence hybride développant leur engagement ?

4. Connaissances et compétences associées

5. Les outils numériques utilisés

Les ENT des établissements de l’académie de Créteil proposent des blogs, permettant aux élèves de noter les résultats de leurs recherches, mais aussi leurs propositions.
https://capytale2.ac-paris.fr/web/c-auth/list : service web, intégré aux ENT des établissements de l’académie de Créteil ; l’activité micro:bit permet aux élèves de réaliser de la programmation par blocs et d’envoyer leur travail à l’enseignant.
https://fr.libreoffice.org/discover/libreoffice/ : LibreOfficeCalc est un exemple de tableur permettant de traiter les données de l’Open Data d’Airparif (https://data-airparif-asso.opendata.arcgis.com/)
https://www.thingiverse.com/ : Thingiverse est un site proposant des fichiers d’impression 3D déposés notamment par des particuliers, sous licence Creative Commons. Ces fichiers peuvent être utilisés par les élèves pour construire une maquette du quartier.

6. Cadre de référence des compétences numériques :

En fonction de sa place dans le cycle, la séquence proposée permet de travailler et/ou d’évaluer l’acquisition de compétences numériques, inscrites dans le CRCN.

	Domaine 1 : informations et données	D1.1 Mener une recherche ou une veille d’information, D1.3 Traiter des données
	Domaine 2 : communication et collaboration	D2.2 Partager et publier
	Domaine 3 : création de contenu	D3.4 Programmer

7. Déroulement global de la séquence

Partie 1 – Découvrons
Quatre ateliers sont proposés aux élèves :
–  Qu’est-ce que la pollution ?
–  Comment circulent les particules fines ?
–  Comment mesurer la qualité de l’air ?
–  Que sait-on sur la qualité de l’air ?

Partie 2 – Mesurons
–  mesures à l’aide de capteurs dans l’enceinte du Collège ;
–  traitement des mesures issues du portail OpenData d’Airparif.

Partie 3 – Agissons
–  recherche de solutions ;
–  construction d’une maquette du quartier à l’aide d’une imprimante 3D ;
–  programmation d’un capteur pour mesurer les actions sur la maquette ;
–  rédaction d’un article de blog présentant l’action ;
–  simulation d’un Conseil municipal.

8. Indications pratiques sur cette séquence

Durée :
Partie 1 : 3 séances en présentiel
Partie 2 : 1 séance en présentiel ou 1h en distanciel
Partie 3 : 2 séances en présentiel + 3 à 4h de travail personnel + 1 sortie/intervention (hors cours, séance d’EMC, etc.)

Coût :
Carte micro:bit + Module Grove Base Shield : 30 euros environ
Capteur PM2.5 compatible micro:bit : 30 euros environ

Prise en main par l’enseignant :
– moyennement intuitive : la séquence demande des compétences en programmation, une connaissance du quartier et de sa pollution à différentes échelles.

Prise en main par les élèves :
– assez intuitive

Adaptabilité pour les élèves à besoins éducatifs particuliers ou élèves empêchés
Les activités proposées peuvent se faire de manière indépendante. Grâce à Capytale, il est possible de simplifier la programmation en plaçant déjà quelques blocs. Le traitement des données d’Airparif peut être simplifié, en proposant un fichier déjà partiellement modifié (certaines colonnes supprimées, filtres en place, etc.).
Plusieurs séances (programmation, traitement des données, rédaction de l’article) peuvent se faire en distanciel.

9. Déroulement détaillé de la séquence

En guise d’introduction, un sondage peut être proposé aux élèves. D’une part, il peut permettre de recueillir les représentations initiales, notamment sur l’origine de la pollution, ses conséquences, les différences entre les particules fines et les gaz à effets de serre. D’autre part, ce sondage peut permettre de les faire s’interroger sur leur volonté de s’engager et sur les moyens de ces actions. Des liens avec les Objectifs de développement durable (ODD) de l’ONU pour la période 2015-2030 peuvent être faits.

Les objectifs du projet sont alors annoncés aux élèves :
"Vous êtes conseillers municipaux. La population de Vitry-sur-Seine se plaint de la qualité de l’air. Votre groupe souhaite faire une proposition au prochain Conseil municipal pour améliorer la qualité de l’air du quartier du Port à l’Anglais.

Vous travaillerez en trois temps :

–  découverte de la pollution, de ses conséquences, des méthodes de mesure, des solutions existantes ;
–  mesures dans la quartier ;
–  réflexion sur la proposition.

Production finale : votre proposition sera rédigée dans un article en ligne pour la présenter à la population. Pour justifier son importance, des arguments sont attendus, comme :

–  l’origine de la pollution et la circulation de l’air ;
–  les différents polluants et leurs conséquences sur la santé ;
–  une étude précise de la qualité de l’air à Vitry (mesures réalisées avec Calitoo et mesures réalisées par AirParif)."

Partie 1 – Découvrons

Afin de bien définir et comprendre les enjeux, quatre ateliers sont proposés aux élèves :
–  Qu’est-ce que la pollution ?
–  Comment circulent les particules fines ?
–  Comment mesurer la qualité de l’air ?
–  Que sait-on sur la qualité de l’air ?

Ces ateliers peuvent être réalisés par groupes de 3 ou 4, pendant 3 séances, le début de la première séance étant consacré à l’introduction, la fin de la 3e séance étant consacrée à une restitution. Il est essentiel de prendre quelques minutes, à la fin de chaque séance, afin que chaque groupe fasse le point sur ce qu’il a appris et sur ce qui lui reste à faire. Les recherches (atelier 4) peuvent être faites sur le temps personnel ; elles peuvent aussi être guidées par le professeur documentaliste ou en séance de Devoirs faits, pour aider les élèves à se repérer sur un site en utilisant les menus, des mots-clefs judicieusement choisis pour dans les barres de recherche, etc.

Partie 2 – Mesurons

–  Mesures à l’aide de capteurs au Collège
Les élèves sont amenés à mesurer régulièrement la qualité de l’air, avec un assistant d’éducation par exemple.

Mesures réalisées par des élèves de 3e pendant la récréation

Extrait des résultats obtenus avec Calitoo

Les résultats obtenus pendant plusieurs semaines peuvent ensuite être exploités et mis en relation avec les données météorologiques afin de faire un lien entre la pollution et les conditions de pression/température. Les données peuvent aussi être croisées à celles de l’OpenData d’Airparif.

–  Traitement des mesures issues du portail OpenData d’Airparif

Extrait du site https://actu.fr/ile-de-france/paris_75056/nouveau-pic-de-pollution-la-qualite-de-l-air-mauvaise-a-paris-et-en-ile-de-france-demain_60580908.html
au 15 mars 2024

Partie 3 – Agissons

- Recherche de solutions
Les élèves sont amenés, sur leur temps personnel, à chercher des idées pour améliorer la qualité de l’air à l’échelle locale et nationale. Leurs idées pourront ensuite être testées sur la maquette.

Proposition d’un élève de 3e

- Construction d’une maquette du quartier à l’aide d’une imprimante 3D
A l’aide du site Thingiverse, les élèves trouvent des constructions qui peuvent ressembler à celles du quartier autour du collège. Ils configurent l’impression 3D en choisissant notamment la taille du bâtiment sur la maquette. Pour cela, ils ont besoin de trouver la taille réelle du bâtiment (longueur et largeur par exemple), ce qui peut se trouver sur des photos aériennes avec échelle notamment. Ils peuvent alors calculer la taille sur la maquette, avec l’échelle imposée par l’enseignant. Une réflexion sur cette échelle peut être menée en amont, afin que tous les élèves comprennent l’importance de choisir la même échelle d’un bâtiment à l’autre pour garder les mêmes proportions. Des compétences mathématiques sont mobilisées, cela peut aussi être l’occasion d’une remédiation, le professeur de mathématiques peut donc être associé à la démarche.

Vue de la maquette en cours de construction. Un film plastique pourra recouvrir l’ensemble afin que la « pollution » (fumée) reste près du sol pendant les tests. Dans le cadre de la construction de ce modèle, il est important que chaque geste soit explicité en faisant un lien avec la réalité.

- Programmation d’un capteur pour mesurer les actions sur la maquette

Le Collège sera remplacé par un capteur de particules PM 2.5. Afin qu’il puisse enregistrer la pollution au niveau de l’établissement pendant les tests, il faut le programmer. L’exercice peut être donné à faire sur Capytale. Voici l’exercice envoyé aux élèves via l’ENT :

Si ce travail est réalisé en fin de cycle, il peut faire l’objet d’une évaluation sommative chiffrée, en se basant sur les 3 premiers niveaux de la compétence "programmer" du CRCN. Le barème est proposé ci-dessous, avec critères et indicateurs de réussite. En cours de cycle, une évaluation formative (non chiffrée) peut être envisagée. Sur Capytale, il est possible d’écrire l’appréciation, les conseils donnés aux élèves, mais aussi éventuellement la note attribuée, ce qui permet à l’élève d’avoir un retour personnalisé sur son travail.

Les élèves peuvent également confirmer les compétences acquises à l’aide d’un parcours thématique sur la programmation proposé sur la plateforme PIX.

Une fois les tests réalisés sur la maquette, les élèves peuvent noter les résultats liés aux testes de leurs idées. Une réflexion sur les « inconvénients » peut être aussi menée en s’appuyant sur la maquette ; par exemple, si un quartier est rendu piéton, cela peut aussi signifier polluer davantage le quartier voisin (du fait du nombre de véhicules motorisés croissants qui y circuleraient) si rien n’est fait à l’échelle du territoire. De même, sur la maquette, les élèves constatent que mettre des pistes cyclables peut engendrer des routes à sens unique, par manque de place. Ils touchent ainsi la complexité d’idées qui pourraient paraître évidentes.
De plus, la maquette permet aux élèves de mieux comprendre comment les scientifiques peuvent proposer des cartes de pollution à l’échelle d’une rue alors que les capteurs peuvent être éloignés. Ils découvrent la capacité prédictive du modèle.

Mesures réalisées :

La quantité de particules fines augmente nettement lorsque l’encens, qui représente la circulation, est proche du Collège (capteur). Elle diminue lorsqu’elle est déviée derrière les bâtiments, qui sont appelés "immeubles écrans". Le déplacement de la circulation peut donc avoir un effet sur la pollution de l’air dans la rue.

Cependant, lorsque le bâtonnet d’encens (circulation) passe au niveau de la rue transversale (lors des simulations "loin" du Collège), même en étant éloigné de l’établissement, une augmentation de la pollution est mesurée. De plus, même lorsque la circulation est éloignée du Collège, la pollution dans le quartier n’est pas nulle. On voit, en se rapprochant, que la fumée contourne "l’immeuble écran" qui ne fait que limiter la pollution. Cette solution de modification de la circulation locale ne suffit pas. Il faut donc éviter de prendre la voiture, en privilégiant les transports en commun ou le vélo par exemple.

- Rédaction d’un article de blog présentant l’action
Les élèves ont pu, dès la première partie, commencer à rédiger un article de blog sur l’ENT. Il peut être intéressant de comparer leur première production à de vrais articles, pour en comprendre la forme (image d’illustration, groupes de mots « cliquables », titre et source des images, etc.). De l’aide pour continuer la rédaction peut être apportée lors de séances de Devoirs faits ou en présence du professeur documentaliste.

10. Exemples de travaux d’élèves

Programme réalisé par une élève sur Capytale

Plusieurs articles peuvent être mis sur le site du Collège

11. Retours des élèves

Sur deux classes de 3e qui participent au projet, 15 élèves se mobilisent régulièrement pour mesurer la qualité de l’air avec l’aide d’un assistant d’éducation.
Tous les élèves, même ceux qui sont d’emblée moins à l’aise avec les outils numériques, ont pu rendre un article, valorisable sur le site du Collège.
Plusieurs élèves choisissent ce projet pour le présenter à l’épreuve orale du DNB.
Les élèves ont apprécié travailler sur leur quartier et limiter leur éco-anxiété en découvrant que la qualité de l’air s’améliore, contrairement aux idées reçues et qu’ils pouvaient agir de différentes manières pour passer sous les seuils recommandés par l’OMS.

12. Analyse et évaluation du dispositif par l’enseignant

Plus-values dégagées :
–  les élèves développent des compétences numériques en traitant les données (filtrer les données, tracer un graphe) et en rédigeant l’article du blog (insérer une image, un lien hypertexte, etc.). Les résultats sur les épreuves de certification PIX montrent cette progression ;
–  les élèves comprennent mieux la distinction entre particules fines (pollution) et gaz à effet de serre. Dans le cadre de la formation de futurs citoyens, cela permet de mieux cerner les enjeux liés à la thématique des changements globaux et de faire un choix éclairé entre les solutions proposées.

Difficultés rencontrées :
–  la séquence prend une place considérable dans la programmation. Les compétences développées doivent donc être une priorité ;
–  la trace écrite doit être réfléchie en amont, afin que l’élève puissent faire des liens entre les séances proposées et avoir suffisamment d’éléments pour la rédaction de l’article finale sur le blog ;
–  la séquence doit être commencée suffisamment tôt dans l’année pour laisser le temps aux élèves de mesurer régulièrement la qualité de l’air (partie 2), afin d’avoir des résultats exploitables.

13. Une piste d’adaptation :

Pour aller plus loin, un lien peut être fait avec le programme d’EMC. Une simulation de Conseil municipal peut être réalisée en partenariat avec la Mairie par exemple. Cette simulation est préparée avec le professeur d’histoire-géographie. Les idées des élèves sont alors débattues.

Afin de travailler à une autre échelle, une simulation de COP peut être organisée par un lycée ; les élèves du collège pourraient alors participer avec leurs idées à l’échelle locale et nationale, l’article devenant un support. Ce projet peut être valorisé dans le cadre de la labellisation E3D d’un territoire éducatif.