Enseignement d`exploration Méthodes et Pratiques Scientifiques
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Enseignement d’exploration Méthodes et Pratiques Scientifiques Cliquez pour modifier le style des sous-titres du masque PROGRAMME DE MÉTHODES ET PRATIQUES SCIENTIFIQUES EN CLASSE DE SECONDE GÉNÉRALE ET TECHNOLOGIQUE Préambule L’enseignement d’exploration “méthodes et pratiques scientifiques” permet aux élèves de découvrir différents domaines des mathématiques, des sciences physiques et chimiques, des sciences de la vie et de la Terre et des sciences de l’ingénieur. … / … Pour atteindre ces objectifs, une liste de six thèmes nationaux est proposée. … / … Un thème libre peut y être ajouté par l’équipe de professeurs. Les objectifs de cette journée… Apporter si possible des éléments de réponse à vos questions, en particulier aux questions suivantes : ü Comment choisir un projet scientifique à l’intérieur d’un des 6 thèmes ? ü Où sont cachées les mathématiques dans chacun des thèmes ? Quelles mathématiques ? ü Comment les introduire dans une démarche de projet, en articulation avec les autres disciplines ? ü Quelles ressources ? Quelle formation pour les enseignants ? … en intégrant la découverte de métiers et de formations de façon à aider les élèves à construire leur projet de poursuite d’études. Un site intéressant de l’ONISEP sur « métiers et sciences » Exemple en cosmétologie : Choix d’un thème… Quand ? Par qui ? Un exemple d’organisation emprunté au lycée Jules Guesde de Montpellier… Un thème est choisi en juin pour l’année suivante, en concertation par les professeurs des disciplines concernées qui sont donc “maîtres du jeu” en quelque sorte... L’avantage de ce croisement de regards entre matières est double car cela permet en effet d’être assuré : d’une part, qu’un travail co-disciplinaire est possible, chaque discipline éclairant le thème à sa lumière en le déclinant selon sa spécificité… … et d’autre part, que les recherches proposées seront suffisamment riches dans toutes les matières concernées tout en s’assurant qu’elles seront accessibles aux élèves. Mais il n’est pas question pour autant de limiter le questionnement des élèves à celui prévu par les professeurs a priori … Par exemple, au lycée Jules Guesde chaque thème a été “lancé” lors d’une séance réunissant tous les élèves inscrits en option DCS et en présence de tous les professeurs intervenant dans cette option. Cette séance de lancement du thème choisi par les enseignants s’est imposée de plus en plus comme une séance de motivation “incontournable ”… Lors de cette séance de lancement, suite à des expérimentations et/ou diverses présentations, les élèves sont amenés à décrire ce qu’ils ont observé et aussi à se poser un maximum de questions qui sont inscrites au fur et à mesure au tableau… Les questions retenues et posées aux élèves se veulent donc suffisamment “ouvertes” sans jamais rien dévoiler à l’avance pour qu’ils soient en situation d’exercer leur imagination, de prendre des initiatives en complète autonomie au sein de petits groupes de recherches. En outre, toute idée, prolongement ou conjecture (ou hypothèse) sont toujours les bienvenus avec toujours la possibilité d’envisager s’il est possible de laisser des élèves partir sur une recherche qui les motive plus particulièrement… Enfin, il paraît important également de pouvoir accoler les créneaux des trois disciplines de façon à pouvoir donner une certaine souplesse dans la gestion des heures entre les professeurs concernés et/ou pouvoir donner un peu de densité au contenu de cet enseignement sous réserve bien entendu de tenir un planning très strict respectant l’équilibre horaire entre les disciplines. Une plage de 3 h consécutives serait sans doute l’idéal surtout si en plus cela pouvait se faire un mercredi matin car cela permettrait : • d’organiser le planning sur la base de deux tranches horaires de 1h30, ou, plus rarement, en réservant la plage de 3h pour une seule matière, • aux trois enseignants d’intervenir ensemble pendant une séance si nécessaire, • d’organiser des visites extérieures (en fonction des moyens)… Exemple de planning de début d’année en option DCS : Donc des différences par rapport à l'organisation classique qui vont nécessiter : v d'annualiser, v d'équilibrer, d'enchaîner, d'alterner les matières, v d'ajuster à plusieurs : § les contenus, § le planning, § les compétences, … D'où l'obligation de se concerter et d'observer pour : v connaître les contraintes des autres matières, v se mettre d'accord sur la notion d'autonomie, v se mettre d'accord sur l'évaluation ... v trouver des solutions communes… SCIENCE ET ALIMENTS Exemple : “autour” de l’abricot… (ou de tout autre fruit sphérique !) Conditionnement Empilement de sphères Volumes Optimisation Transport Plus court chemin graphes Choix entre deux modes de transformation Optimisation linéaire Mûrissement des abricots Éthylène (S.V.T.) Empilement pyramidal Géométrie dans l’espace sur un étalage Suites Boites de conserve Surfaces optimisation Tests de qualité Théorie des tests Aide à la décision Stérilisation S. P.C. : La chimie dans la casserole (H. THYS) Comment empiler efficacement des abricots ? (ou tout autre fruit sphérique !) Autre formulation de ce problème… Comment empiler des abricots de façon à obtenir un tas occupant aussi peu de volume que possible ? Problème, en apparence anodin, mais dont le champ d’application s’étend de l’étude des cristaux à la théorie des codages informatiques… Est-il préférable d’empiler des couches où les fruits sont disposés en carrés ? ? Ou bien est-il préférable d’empiler des couches où les fruits sont disposés en triangles ? EMPILEMENTS DE SPHÈRES Exemple : Avec des boulets de canon de diamètre 12 cm Devant des musées de l’armée, en guise de décoration, on trouve parfois, à côté de canons, des pyramides à base carrée comme ci-contre. F Nombre de boulets pour construire une telle pyramide ? F En considérant que ces boulets sont bien sphériques et sachant que leur diamètre vaut 12 cm, quelle peut bien être la hauteur d’une telle pyramide (au mm près) ? Généralisation ? F En utilisant l’intégralité des boulets de deux pyramides identiques à celle représentée ci-dessus, examinez s’il est possible d’obtenir : § deux pyramides à base carrée de tailles différentes ; § trois pyramides à base carrée… F Nombre pyramidal : c’est un nombre qui est représenté par une pyramide dont la base est un polygone régulier. Ainsi 1, 5, 14, 55 et 91 sont des nombres pyramidaux à base carrée que l’on appellera plus simplement nombres pyramidaux carrés. § Déterminez les 15 premiers nombres pyramidaux carrés. § Établissez quelques propriétés de ces nombres… GASTRONOMIE MOLÉCULAIRE ET PHYSIQUE Comment obtenir un bon rôti ? FEn empruntant à la chimie ses études des sucres et des acides aminés. Comment obtenir de bonnes gelées ? FEn reprenant les résultats récents de la physico-chimie des gels... Comment préparer plus de 20 litres de mayonnaise à partir d’un seul jaune d’œuf ? FEn explorant la physique des émulsions. GASTRONOMIE MOLÉCULAIRE ET PHYSIQUE On dit que les fruits rouges ne doivent pas être placés dans des récipients étamés... On dit que les haricots verts doivent être cuits dans de l’eau bouillante salée, sans couvercle... On dit qu’une petite cuillère dans le goulot d’une bouteille de champagne empêche les bulles de partir... On dit… tant de choses étranges que le physico-chimiste s’interroge. Lorsqu’il expérimente et qu’il cherche à interpréter en termes moléculaires les tours de main culinaires, Hervé THIS nous explique qu’il se livre à l’activité qu’il a nommée, avec Nicolas KURTI, Gastronomie Moléculaire et Physique. Telle que définie par Hervé THIS, la Gastronomie Moléculaire vise à : • recenser et tester les tours de main et dictons culinaires, anciens ou modernes, français ou étrangers, • expliquer les transformations culinaires par les mécanismes physico-chimiques, • présenter la chimie et la physique au grand public, sous une forme appétissante et digeste, • utiliser la connaissance des opérations physiques et chimiques pour introduire en cuisine de nouveaux outils ou ingrédients, • inventer des plats nouveaux, fondés sur la connaissance des aliments et la compréhension des transformations culinaires. Propositions issues de l’atelier IREM "approche pluridisciplinaire" consacré en particulier à l’option MPS, lors du colloque Adirem à Marseille le 17 mars 2010. AUTOUR DE LA VIGNE ET DU RAISIN Constituants du raisin (S.V.T.) Rendement (Math.) Utilisation des mêmes tests d’identification des constituants Constituants chimique du vin (S.P.C.) Productivité d’une vigne L’alcool dans le vin fermentation alcoolique éthanol (S.V.T.) Extraction d’éthanol Dosage des ions fer Dosage acidité... alcoolémie pb. de mélanges (Math.) degré alcoolique et densité réfractomètre (S.P.C.) Prévention des risques d’addiction SCIENCE ET COSMÉTOLOGIE Exemple : autour d’une crème solaire… Tests d’efficacité Théorie des tests (Wicoxson, test des signes…) Rayonnement solaire (SPC) Brulures, mélanomes ( SVT) Images d’épidermes au microscope Ordres de grandeur Travail sur le microscope Etude d’un contenant (flacon, tube) Volumes, optimisation Gestion des stocks Optimisation Graphes http://www.statisticien.fr/tests-de-rangs/ Propositions de l’atelier IREM "approche pluridisciplinaire" - Colloque Adirem Marseille - 17 mars 2010. SCIENCE ET INVESTIGATION POLICIÈRE Exemple : autour d’une enquête… Codage et décodage cryptologie Étude de trajectoires courbes Etude d’impacts Géométrie (sections planes de sphères) Tests ADN Échantillonnage Théorie des tests ADN nucléaire et mitochondriale (SVT) Propositions de l’atelier IREM "approche pluridisciplinaire" - Colloque Adirem Marseille - 17 mars 2010. SCIENCE ET ŒUVRE D’ART Exemple : autour d’un tableau… Matériaux (support, pigments, vernis…) Couleur Perspective Symétrie Frises et pavages Nœuds et entrelacs Anamorphose datation restauration géométrie algorithmique suites On dispose d’un miroir en forme de cône dont le diamètre de base est 5 cm et pour lequel chaque génératrice mesure également 5 cm. On suppose que l’œil est situé à 11 cm au dessus du sommet du cône. Anamorphose Papier crayon Sur la figure en vraie grandeur donnée, pour un point M’ situé sur l’anamorphose : construire le point M de la base du cône d’où le point M’ semble provenir. On désigne par I le milieu de [BC]. Graduer le segment [IC] chaque 0,5 mm. Pour chacun des points de cette graduation, en utilisant la question 1°), construire le point image par l’anamorphose. On pourra ainsi réaliser une règle à anamorphose de ce type : Anamorphose d’un chapeau … « On retrouve bien le chapeau ! » Avec un logiciel logiciel gratuit http://www.anamorphosis.com/ De Philipp Kent (Londres) Grâce à ce logiciel, un groupe d’élèves a réalisé une anamorphose à partir du tableau du peintre Henri Matisse ci-dessous : Voici le résultat Puis ils ont vérifié avec leur cône… Propositions de l’atelier IREM "approche pluridisciplinaire" - Colloque Adirem Marseille - 17 mars 2010. SCIENCE ET PRÉVENTION DES RISQUES D’ORIGINE HUMAINE Exemple : autour du trafic routier… Forme des routes Implantation et synchronisation des feux de signalisation géométrie Théorie des graphes optimisation chocs Propositions de l’atelier IREM "approche pluridisciplinaire" - Colloque Adirem Marseille - 17 mars 2010. SCIENCE ET VISION DU MONDE n n n n n n Pourquoi le ciel est-il bleu ? Pourquoi fait-il noir la nuit ? Comment représenter la Terre ? Comment colorier une carte ? Comment fonctionne un appareil photo (argentique, numérique) ? … Propositions de l’atelier IREM "approche pluridisciplinaire" - Colloque Adirem Marseille - 17 mars 2010. CRISTALLOGRAPHIE Observation de cristaux naturels (S.V.T.) Fabrication de cristaux en laboratoire (S.P.C.) Modèle de cristallisation d’un magma (S.V.T.) Étude de polyèdres (Math.) Formation et croissance de cristaux (S.P.C.) Étude d’un modèle géométrique “à la manière de ...” (Math.) Empilement de sphères et densité (Math.) Le cristal à l’échelle microscopique (S.P.C.) Méthodes et Pratiques Scientifiques Une expérimentation d’option science (Article 34) Lycée Madame de Staël 74160 Saint Julien en Genevois Anne Brondex Daniel Devallois Isabelle Mazzella Sandrine Miranda Claudie Richet Cathy Risch Une expérimentation d’option science (Article 34) Lycée Madame de Staël 74160 Saint Julien en Genevois Un exemple de situation : les limites de la vision L'acuité visuelle La myopie Une expérimentation d’option science (Article 34) Lycée Madame de Staël 74160 Saint Julien en Genevois Plan de la séquence horaires Intervenants et Préambule 2 Heures (1 SVT, 1 SPC) 1. Une limite de l’œil humain : l’acuité visuelle 12 Heures (7 SVT, 5 MATH) Conception d'un protocole de mesure, réalisation du protocole, acquisition de données SVT Modélisation mathématique (Ajustement affine d’un nuage de points) MATH Test expérimental du modèle mathématique SVT Evaluation SVT, MATH 2. Une maladie de l’œil modifiant l'acuité visuelle : la myopie 15 Heures (3 SVT, 4 MATH, 8 SPC) Modélisation de l’œil normal, construction d’un modèle (usage de lentilles convergentes), travail sur les paramètres (obtention et netteté d’une image) SPC Fonctionnement de l’œil / Lien objet – image SPC, MATH, SPC L’œil myope : comment corriger la myopie, prévoir la correction ? SVT, SPC, MATH Evaluation SVT, SPC, MATH Bilan horaire 29 Heures (11 SVT, 9 MATH, 9 SPC) dont 4 d’évaluation Comment corriger une myopie ? Les caractéristiques macroscopiques de la myopie Le fonctionnement de l'œil normal (hors optique) 1 1 Modélisation du fonctionnement optique de l'oeil normal Créer un oeil normal avec des lentilles conception/réalisation d'un protocole pour déterminer les conditions permettant d'obtenir une image nette mise en relation des paramètres déterminants sous forme d'équations (lentille fixée) les techniques de correction de la myopie SVT applications des équations sur d'autres lentilles (vérification) Maths 2 Modélisation du fonctionnement optique de l'oeil myope SPC Ss Problème Créer un oeil myope avec des lentilles test de lentilles pour corriger la myopie mise en équation du système optique de correction LES LIMITES DE LA VISION Travail en Mathématiques n Le travail à réaliser par les élèves : v Trouver une relation liant les paramètres OA (distance lentille-objet), OA' (distance lentille-image) et OF' (distance lentille -foyer image). v (formulation donnée aux élèves). v Tester le modèle sur des mesures prises en sciences physiques n Les choix nécessaires des élèves : v Les outils mathématiques à utiliser. LES LIMITES DE LA VISION Travail en Sciences Physiques n Le travail à réaliser par les élèves : v Concevoir, rédiger et réaliser un protocole pour obtenir une image nette derrière une lentille afin de comprendre une maladie de l'œil (la myopie) et d'être capable de proposer une correction. n Les choix nécessaires des élèves : v choisir les modalités de mesure, le matériel d'optique étant imposé. v faire varier les paramètres afin de trouver un lien entre eux. LES LIMITES DE LA VISION Travail en S.V.T. n Le travail à réaliser par les élèves v Déterminer les moyens de corriger la myopie et leur principe de fonctionnement. n Les choix nécessaires des élèves v Choisir les sources d'information, v Choisir les informations v Choisir une manière de corriger la myopie à présenter aux autres élèves v Choisir le type de schéma le plus approprié pour présenter le moyen. QUELQUES RESSOURCES… : Quelles mathématiques pour le module "Méthodes et Pratiques Scientifiques" en Classe de Seconde ? http://forum-culturemath.dma.ens.fr/spip.php?rubrique1 Forum CultureMath http://educmath.inrp.fr/Educmath/recherche/p2s-corise/ Quelques pistes de travail co-disciplinaire. Pour l’instant trois thèmes sont abordés : v v v Myopie (16 h) Repérage de l'épicentre d'un séisme (20 h) Réchauffement climatique et cycle du carbone (3 h hebdomadaires) Il y a de nombreux documents pédagogiques pluridisciplinaires mis en ligne par les équipes d’enseignants ayant développé l’option « Démarche et Culture Scientifique » (ex "option Sciences") dans leur lycée. Ce ne sont pas des ressources "clé en main" pour l’enseignement d’exploration MPS, mais elles peuvent être sources d’inspiration pour la mise en place de cet enseignement. Sans oublier : Les Pages mathématiques de l’académie de Montpellier Ø L’IREM de Montpellier Ø L’APMEP Ø … Ø [Enseignement scientifique] [Modules de découverte MPS]
