Canevas de planificationd’une situation d’apprentissage et d’évaluation

Le périscopeAuteurs Commission scolaire des Hauts-Cantons;

Alexandre Dumas, Carole Morelli et Sophie Gravel

Clientèle visée Élèves du 2e et du 3e cycle

Discipline Sciences, technologies et mathématiques

Durée Environ 10 périodes

Description de la situation d’apprentissage et d’évaluation : Dans le cadre de cette SAE, les élèves sont invités à concevoir un périscope. Dans la première partie de la SAE, les élèves se familiariseront avec le concept d’angle, de réflexion en mathématique et le concept de lumière en science et technologie. En deuxième partie, les élèves réaliseront la conception et la mise à l’essai de leur instrument d’observation.

Apprentissages ciblésMathématique Permettre à l’élève de développer le concept d’angle, de le reconnaître dans son entourage,

d’identifier les types d’angles, de les mesurer (3e cycle), de les comparer, de travailler le vocabulaire lié à ce concept, de l’intégrer dans une conception.

Science et technologie Permettre à l’élève de se familiariser avec les caractéristiques et les propriétés de la lumière et de concevoir un instrument.

Compétence transversale

Mettre en œuvre sa pensée créatrice

Compétences disciplinaires

Compétence 1 : Proposer des explications ou des solutions à des problèmes d’ordre scientifique ou technologique.Compétence 2 : Mettre à profit les outils, objets et procédés de la science et de la technologie (miroirs).Compétence 3 : Communiquer à l’aide des langages utilisés en science et en technologie.

Science et technologie Univers matériel :Énergie : Décrire le comportement d’un rayon lumineux (réflexion, réfraction)Techniques et instrumentation : Conception et fabrication d’instruments, d’outils, de machines, de structures (ex. :ponts, tours), de dispositifs (ex. : filtration de l’eau), de modèles (ex. : planeur), de circuits électriques simples. Utiliser, lors d’une conception ou d’une fabrication, des machines simples, des mécanismes ou des composantes électriques.

Savoirs essentiels ciblés en mathématique :

MesureAngles : Comparer et identifier des angles.Estimer et mesurer des angles en degrés (3e cycle).

Stratégies Stratégies d’explorationDiscerner les éléments pertinents à la résolution d’un problèmeExplorer diverses avenues de solutionPrendre en considération les contraintes en jeu dans la réalisation d’un objetRéfléchir sur ses erreurs afin d’en déceler la source

Stratégies d’instrumentationRecourir au design technique pour illustrer une solution (ex. : schéma, croquis)Recourir à des outils de consignation

Stratégies de communicationRecourir à des modes de communication variés pour proposer des explications ou des solutions (ex. : exposé, texte)

Techniques et instrumentations

Utiliser des outils adéquatement et de façon sécuritaireTracer et découper des pièces dans divers matériaux à l’aide des outils appropriés.

Référents culturels Étude des instruments d’observation à travers l’histoire.Personnes à qui on attribue des inventions liées à l’observation sur terre ou dans l’espace.

Préparation matérielleMatériel à prévoir…………………………………… Pour cette partie de la SAE.

Numéro 8B) Ampoule électrique de couleur.Ampoule électrique de couleur dont la couleur est usée.C) LaserFarine blanche ou poussière de craieE) MiroirF) Un verre d’eau (verre sans motif)Un crayon, un bâton ou une paille.

Numéro 23

Un écran sur pied avec une toile rétractable.Un petit banc.6 cônes

Numéro 22

Un miroir d’une grandeur d’au moins 8 X 11De la corde pour identifier le rayon réfléchi.Du papier collant ou les cônes pour identifier les positions de réflexion.

Numéro 34.

Deux miroirs par équipe en plexiglass.Environ 15 cm X 15 cm. (Vitrerie du parc, Sherbrooke, environ 1.50 $ chaque).

Démarche de conception du périscope.

Chaque équipe a besoin d’au moins 2 cartons de lait ou de jus de 2 litres.Pour la classe… un gros rouleau de ruban gommé.Du mac tak pour coller temporairement les miroirs.Un laser par équipe.

Déroulement global de lasituation d’apprentissage et d’évaluation

Selon les trois phases du processus d’apprentissage1. Préparation

Présentation de la situation de départCahier de l’élève Consignes générales Commentaires et / ou

Questions à poser aux élèves pour faire cheminer le concept.

Cahier de l’élève page 1 But : Aller chercher les connaissances des élèves par rapport à l’utilisation d’un périscope.1. Demander aux élèves de dessiner un sous-

marin comme ils l’imaginent dans la réalité.2. Lorsque les dessins sont terminés, aller voir

les vidéos suggérés dans le bas.

Numéro 2Qu’est-ce que tu remarques sur la vidéo ? Où es-tu pour voir ces images de cette façon ? Pourquoi un sous-marin a-t-il besoin de voir à l’extérieur ?Quel est l’instrument qui permet de voir à l’extérieur du sous-marin ?

Cahier de l’élève page 2 But : Amener l’élève à expliquer ses conceptions initiales à propos du périscope.

3. Encourager les élèves à préciser leur conception d’un périscope. Même s’ils ne savent pas comment ça fonctionne, leur demander d’imaginer son fonctionnement et de le décrire.

Il est important de prendre le temps d’aller chercher les conceptions de nos élèves. Cet outil nous aide à construire le reste de l’activité. Par exemple, si la moitié de nos élèves pensent que ça fonctionne avec une caméra et un fil électrique il faudra prévoir un temps pour présenter un exemple de périscope utilisé pendant la 1re guerre mondiale (voir wikipédia… périscope… dans les tranchées 1915). À ce moment-là il est pertinent de se donner au moins 24 heures entre cette page et les pages suivantes afin de consulter les carnets des élèves.Sais-tu comment fonctionne un périscope… peux-tu dessiner le périscope et tenter d’expliquer comment il fonctionne ?

2. Développement des concepts de lumière,

d’angle et de réflexion.TÂCHE 1 : Concept de lumière

Cahier de l’élève page 3 But : Développer le concept scientifique de la lumière avec ses caractéristiques.4. Aux numéros 6 et 7 nous en sommes à vérifier

les conceptions des élèves par rapport à la lumière. Dans ses mots l’élève tente de dire ce qu’il sait de la lumière, tente de formuler une première définition personnelle, nomme les caractéristiques de la lumière et ses propriétés.Un échange en grand groupe suit (partage des idées).

Numéros 6 et 7Quand je te parle de lumière à quoi penses-tu ?Comment définirais-tu la lumière. Essaie d’écrire une définition qui pourrait expliquer la lumière dans le dictionnaire.

Cahier de l’élève page 3… numéro 9 5. # 8 : Ici on explore les caractéristiques de la lumière. Pour certaines caractéristiques une démonstration est nécessaire. Cette partie se fait en collectif.

Réponses :a) captéeb) incolorec) ligne droited) d’énergiee) l’intensitéf) réfléchitg) réfracte

B) Faire observer une ampoule de couleur et une ampoule dont la couleur est usée.C) En utilisant un laser, pointer un objet et faire apparaître le rayon lumineux en saupoudrant de la poussière de craie entre le laser et l’objet qui reçoit la lumière.F) À l’aide d’un miroir et d’un laser, montrer que lorsqu’on pointe la lumière dans le miroir, le point rouge apparaît ailleurs.G) Pointer le laser dans l’eau afin de démontrer que la lumière se réfracte. Si c’est difficile à voir, utiliser un crayon que vous insérez dans l’eau.

Cahier de l’élève page 3 et 4 6. Cette partie se fait à priori individuellement pour en faire un collectif par la suite.Inciter les élèves à nommer des sources naturelles ainsi que des sources produites par l’homme.

Est-ce qu’il y a de la lumière à l’extérieur des maisons ?D’où vient la lumière ?Comment fait-on de la lumière dans les maisons ?Est-ce qu’on a toujours le contrôle sur la durée de la lumière, c’est-à-dire, peut-on toujours l’allumer et l’éteindre quand on veut ?Y a-t-il de la lumière qui dure quelques secondes ?

Cahier de l’élève page 4

Exemples de réponse pour le numéro 12 de la page 4.

7. L’élève sera invité par l’enseignant à nommer diverses sources de lumière et identifier si elles sont primaires ou secondaires et si elles sont naturelles ou produites par l’homme.

Pour approfondir le sujet des sources de lumière :

http://membres.multimania.fr/jjcord/source2.htm

Sur ce site vous avez la possibilité d’identifier si les sources sont primaires ou secondaires et de demander une vérification dans l’immédiat.

http://www.curiosphere.tv/minte/minte10979/page_10979_71573.cfm

Site très intéressant pour comprendre les caractéristiques et les sources de lumière.

INFORMATIONSLes sources secondaires de lumièreL'atmosphère, les nuages, le sol ou les océans reçoivent la lumière solaire. Ils renvoient une partie de cette lumière dans toutes les directions : on dit qu'ils diffusent la lumière.La Lune, les planètes, les comètes et tous les corps du système solaire, sont éclairés par le Soleil. Ils sont visibles car leur surface diffuse une partie de la lumière solaire. Les photographes utilisent des écrans diffusants pour obtenir un éclairage sans ombre sur le sujet. Les planètes, les nuages, les écrans diffusants sont des objets lumineux qui ne produisent pas de lumière. Ils diffusent la lumière qu'ils reçoivent : ce sont des sources secondaires de lumière.CONCLUSION : Une source secondaire diffuse la lumière qu'elle reçoit.http://www.intellego.fr/soutien-scolaire-4eme/aide-scolaire-physique/les-sources-secondaires-de-lumiere/33264

Également, toutes les informations nécessaires sur la lumière et le périscope sont disponibles à l’adresse suivante :

http://www2.cslaval.qc.ca/cdp/pages/primaire-3ecycle.html#périscope

TÂCHE 2 : Concept de réflexion.Cahier de l’élève page 5 But : Développer le concept de la réflexion

de la lumière.8. Les élèves vont probablement penser

immédiatement au miroir. Les inciter à compléter les 4 cases en nommant, par exemple, du métal, la couleur blanche, l’eau, …

Cahier de l’élève page 5 But : Caractéristiques du miroir, expérimentation du concept d’angle à l’aide du miroir. En manipulant le miroir, l’élève sera amené à relever divers défis lui permettant d’expérimenter les positions afin de voir :-vis-à-vis le miroir (positionné face au miroir, à angle droit)-en se baissant pour voir ce qu’il y a derrière lui et en tenant le miroir devant lui (variable : position de l’observateur); -en déplaçant le miroir de côté (variable : miroir, position de l’objet réfléchissant).9. Les élèves sont invités à explorer le champ de vision avec

un miroir. Ils peuvent le placer de côté, ils peuvent incliner le miroir, ils peuvent placer le miroir plus haut ou plus bas.

Cahier de l’élève page 5 But : Explorer le champ de vision que permet l’utilisation d’un miroir avec la présence d’un obstacle. Aborder la nécessité du concept d’angle.

10. L’ajout d’un obstacle oblige l’élève à constater qu’il y a peu de façon de placer le miroir pour voir l’autre et que pour retenir cette position il va falloir nommer cette position

TÂCHE 3 : Concept de champ de vision.Cahier de l’élève page 6 But : Solliciter les connaissances préalables

des élèves sur le champ de vision.11. Demander aux élèves de colorier ce qu’ils

ne verraient pas s’ils étaient face à la ligne rouge.

Cahier de l’élève page 6 But : Faire prendre conscience des possibilités de nos yeux en utilisant en contre-exemple la vision du caméléon.12. Ces illustrations alimentent la discussion

en groupe.

Cahier de l’élève page 6 But : Poursuivre la vérification des conceptions préalables des élèves.13. Demander aux élèves d’imaginer qu’ils

sont assis sur le banc représenté par le petit cercle et que la ligne est un écran ou un mur.

Quel serait ton champ de vision? Que verrais-tu ?

Pour plus d’informations sur la recherche qui a amené cet exercice, ses compléments et ses buts :

http://www.univ-irem.fr/reperes/articles/64_article_443.pdf

Cahier de l’élève page 6 But : Apprendre que le champ de vision d’une personne forme un angle.14. Faire l’expérience dans une grande

pièce. Installer les élèves autour de la pièce. Inviter un élève à venir s’asseoir sur le banc. Demander à 2 élèves de tenir dans leurs mains des cônes de couleur. Placer un écran sur pied comme la ligne du centre l’indique sur l’image. L’élève sur le banc donne la consigne aux porteurs de cônes de s’arrêter lorsqu’il ne les voit plus.

Photo qui vient du site mentionné dans la case précédente.

Tâche 4 : Concept de réflexion et d’angle.Cahier de l’élève page 7 But : Faire ressortir les conceptions

initiales de l’élève sur la réflexion.15. Le numéro 21 doit se faire seul. Il

peut être intéressant de demander aux élèves quelles sont leurs prédictions et de les justifier oralement.

Encore une fois, cette partie vous permet d’évaluer le travail que vous avez à faire comme enseignant pour changer les fausses conceptions des élèves.

Cahier de l’élève page 7 But : Fixer chez l’élève le rôle et la signification de la normale. Développer dans sa pensée l’idée que la normale c’est l’axe de réflexion ou de symétrie en mathématique.16. Dans une pièce sans bureau coller un

miroir au mur, au niveau du ventre d’un élève dans le centre de la pièce. Demander à un élève de trouver la position qu’il doit choisir afin de se voir dans le miroir.

Cahier de l’élève page 7 But : Expérimenter la réflexion de la lumière.17. Les élèves se placent à des positions

semblables au dessin du numéro 24.Chacun leur tour ils pointent la lumière du laser dans le centre du miroir et un élève de l’autre côté de la normale circule jusqu’à ce que la lumière arrive sur son ventre.

Mettre en garde les enfants afin qu’ils n’aient pas la lumière dans les yeux.

Cahier de l’élève page 8 But : Reporter l’expérience réalisée sur papier.18. Les élèves prennent leur document et indiquent l’endroit où

arrive la lumière du laser.19. Prenez le temps de faire quelques essais supplémentaires

afin que l’élève comprenne que la lumière arrive de façon symétrique par rapport à la normale.

20. Pendant que vous faites l’expérimentation avec les élèves, expliquer et utiliser les mots qui se retrouvent à la page 10 du cahier de l’élève. Utiliser également les mots émetteur (l’élève qui tient le laser) et récepteur (l’élève qui reçoit la lumière).Insister sur le mot angle en parlant de l’ouverture entre le rayon incident et la normale ainsi que la normale et le rayon réfléchi.

Vous assurer que les élèves utilisent l’axe de réflexion, la normale pour compter le nombre de carrés du côté réflexion. Plusieurs élèves prennent un raccourci et comptent en commençant par le côté droit du tableau.

Cahier de l’élève page 8 But : ÉVALUER la compréhension de l’élève sur la réflexion de la lumière.21. Avant de faire l’expérience en

classe, chaque élève place ses points de réflexion sur papier au numéro 25.

Ici, on s’attend à ce que l’élève soit capable de bien placer les points.De plus, il y a moins de carrés du côté réflexion que du côté incident ce qui vous permettra de vérifier si l’élève utilise encore le cadre extérieur du tableau au lieu de l’axe de réflexion.

Cahier de l’élève page 9 But : Approfondir les concepts d’angle et de réflexion par des

Il peut être intéressant de faire remarquer aux élèves que leurs bras

exercices ou des documents visuels sur internet.22. Le but du numéro 28 est de faire

prendre conscience aux élèves qu’il y a des angles tout autour d’eux et sur leur corps également.

peut former un angle à différents degrés, leurs jambes, leur corps au complet lorsqu’ils se plient en deux. Prendre le temps de bouger un peu et d’explorer les angles qu’ils peuvent faire avec leur corps peut permettre une meilleure compréhension du concept par certains élèves.

Pour approfondir le concept d’angle et de réflexion à ce moment-ci de l’activité vous pouvez aller chercher vos fiches préférées sur les types d’angle ainsi que vos fiches sur la réflexion.Il y a également les références qui suivent :Annexe 2 : Fiches sur les anglesAnnexe 3 : Fiches sur la réflexion.

Sites intéressants en ligne pour développer de concept d’angle :

http://www.pepit.be/exercices/primaire4/mathematique/angles/ANGLES01.html

http://www.pepit.be/exercices/primaire4/mathematique/angles/ANGLES02.html

http://www.pepit.be/exercices/primaire4/mathematique/angles/ANGLES04.html

Fiches de travail sur la réflexion à imprimer sur le web.

http://nlvm.usu.edu/en/nav/frames_asid_297_g_2_t_3.html?open=activities&from=category_g_2_t_3.html

http://www.professeurphifix.net/geometrie/symetrie_3.htm

http://www.professeurphifix.net/geometrie/symetrie_1.htm

http://www.professeurphifix.net/geometrie/ce1_symetrie2.PDF

Comprendre la symétrie sur des images de la nature en ligne :

http://www.jlsigrist.com/miroir.html

Cahier de l’élève page 9 But : Intégration d’un vocabulaire juste et précis en lien avec les concepts à l’étude.23. Revenir sur le vocabulaire de la page 10.

Demander à quelques élèves de venir faire la démonstration des termes en mimant les exercices de la page 9.

Si cette activité coïncide avec une fin de journée et que la suite est le lendemain, il est pertinent de demander aux élèves de réviser ces termes à la maison.

Cahier de l’élève page 9 But : Évaluer la maîtrise du vocabulaire par les élèves.24. Demander aux élèves d’aller placer les

mots de la page 10 sur le tableau de la page 9.

Cahier de l’élève page 10 But : Évaluer la maîtrise du vocabulaire des élèves.25. Les élèves doivent associer les mots

avec leur définition.

Le corrigé est disponible clairement à l’annexe 1.

Cahier de l’élève page 10 But : Évaluer la compréhension de l’élève à faire le lien entre la normale et l’axe de réflexion.26. On s’attend à ce que l’élève soit capable

d’écrire normale.Cahier de l’élève page 11 But : Évaluer les connaissances des élèves

acquises durant l’expérience en lien avec le concept d’angle.27. Ce modèle (Britt Mari-Bart et Frayer)

vous permet de voir les apprentissages de vos élèves.

Pour les guider dans l’énumération des caractéristiques :Qu’est-ce qui fait que c’est une angle ?Un angle c’est comment ?

Cahier de l’élève page 11 But : Amener l’élève à se préparer pour la fabrication de son périscope avec 2 miroirs. Expérimenter la réflexion de la lumière du laser avec 2 miroirs.28. Demander à quelques élèves d’aller

expérimenter l’exercice avec le mur de la classe. Vous pouvez faire passer toutes les équipes comme vous pouvez le faire avec quelques élèves.

Ce qui va aider vos élèves à faire le schéma sur papier de la position des miroirs dans un bon angle c’est en utilisant le laser contre le papier, les miroirs perpendiculaires avec la feuille et tenter d’aller toucher le cercle du corridor. Ainsi nous supposons qu’ils pourront répéter l’exercice en faisant leur périscope.

Cahier de l’élève page 12 But : Amener l’élève à répéter un exercice à 2 miroirs mais avec une hauteur… toujours dans la perspective de préparer la création du périscope.29. Inviter les élèves à se placer l’un

derrière l’autre, un debout et l’autre

assis. Celui qui est assis prend les 2 miroirs et les oriente pour voir la personne au-dessus.

Cahier de l’élève page 12 But : (le même que le précédent).30. Demander à l’élève de trouver de quelle

façon il placerait 1 miroir ( voitures A et B) ou 2 miroirs (voitures C et D).

3. Conception technologique du périscopeCahier des charges de l’élève page 1 31. L’élève fait un premier schéma

de la façon qu’il placerait ses miroirs. On l’encourage, par la suite, à vérifier en plaçant les miroirs perpendiculairement à la feuille et à faire un test… Est-ce qu’il voit un objet (efface) à l’autre bout lorsqu’il est vis-à-vis l’œil ? Sur le 2e, il fait un second schéma avec les modifications.

Cahier des charges page 2 32. Cette page sert de feuille de travail pour les élèves qui pourraient en avoir besoin.

Pour les élèves qui éprouvent de la difficulté à placer les miroirs, il est très intéressant d’utiliser le laser. Ils placent les miroirs perpendiculairement au papier, ils pointent le laser sur un premier miroir et ils peuvent très bien voir la lumière au-dessus du papier… qui suit une ligne du quadrillage jusqu’à l’autre miroir.

Cahier des charges page 3 Dès le premier schéma de la première page les élèves peuvent venir compléter cette section.Ils peuvent écrire leurs commentaires après la conception de leur périscope également.

Ici on s’attend des élèves qu’ils écrivent sur leur progression dans leur schéma mais également dans leur conception.Ce qui pourrait fonctionner bien :

- Je vois plus haut.- Je vois un objet à l’autre

bout.- Le laser sort par le haut

en ligne droite.Ce qui ne pourrait pas bien fonctionner :

- Je ne sais pas comment placer les miroirs.

- Les miroirs se déplacent toujours.

Aspects à améliorer :

Cahier des charges page 3

Cahier des charges page 3 Cette section sert à l’évaluation. L’élève devrait être capable de placer ses miroirs de façon à ce qu’un laser pointé dans le premier du bas se réfléchisse dans celui du haut et sorte par l’ouverture du haut.

Dans ce que j’ai appris, l’élève revient sur ses découvertes.

Annexe 1

Corrigé de la page 11 sur le vocabulaireémetteur Les personnes qui ont envoyé la lumière sont les…

normale La droite qui représente l’endroit (peu importe la distance avec le miroir) où tu dois te tenir pour recevoir la lumière réfléchie que tu tiens sur toi s’appelle la…

angle d’incidence L'angle orienté entre la normale au point d'incidence et le rayon incident. C'est-à-dire, l'angle qui est formé entre la normale et la droite du point de départ du laser.

récepteur Les personnes qui ont reçu la lumière sont les…

source primaire C’est la source qui fabrique la lumière qu'elle envoie.

angle de réflexion L’angle de réflexion est l’angle orienté entre la normale au point d’incidence et le rayon réfléchi. C’est-à-dire, l’angle qui est formé entre la normale et la droite du point d’arrivée du laser une fois qu’il est réfléchi.

source secondaire C’est la source qui renvoie la lumière qui est produite par une source primaire.

incident Le rayon lumineux s’appelle ainsi avant d’avoir rencontré le miroir.

réfléchi Le rayon lumineux s’appelle ainsi après avoir rencontré le miroir.

Annexe 2a

Annexe 2b

Annexe 3