Un manège d'entraînement spatial

Objectifs: Construire une manège d'entraînement spatial
Cycles d'apprentissage: 2e et 3e cycles du primaire et 1er cycle du secondaire
Compétences du 21e siècle: Résolution de problème, pensée informatique
Progression des apprentissages en S et T:
UNIVERS MATÉRIEL
Matière
Distinguer la masse (quantité de matière) d'un objet de son poids (force de gravité exercée sur une masse)
Forces et mouvements
Techniques et instrumentation
Cycles d'apprentissage: 2e et 3e cycles du primaire et 1er cycle du secondaire
Compétences du 21e siècle: Résolution de problème, pensée informatique
Progression des apprentissages en S et T:
UNIVERS MATÉRIEL
Matière
Distinguer la masse (quantité de matière) d'un objet de son poids (force de gravité exercée sur une masse)
Forces et mouvements
- Attraction gravitationnelle sur un objet
Techniques et instrumentation
- Tracer et découper des pièces dans divers matériaux à l'aide des outils appropriés.
- Utiliser des modes d'assemblage appropriés.
- Utiliser les outils appropriés permettant une finition soignée.
Préparation
- 30 tuyaux isolant en polyéthylène (1/2 pouce) ;
- 12 billes de verre ;
- 4 rouleaux de ruban-cache tout usage ;
- Couteau à lame rétractable ;
- Ciseaux.
Amorce

Cercle de lecture
Dans ce cinquième tome, Georges et Annie entreprennent un programme d'entraînement d'apprenti-astronautes, Kosmodrome 2 qui pourrait déboucher un jour sur une colonisation de Mars. Ils doivent réparer le panneau solaire d'un vaisseau spatial plongé dans l'eau, nettoyer de détritus un relief semblable à Mars, fabriquer une rover, expérimenter un vol parabolique, etc. En sous-équipes de 4-5 individus, les élèves échangent sur leurs découvertes au sein de cercles littéraires. Placés devant le défi technologique de construire un manège, les élèves échangent leurs idées.
Dans ce cinquième tome, Georges et Annie entreprennent un programme d'entraînement d'apprenti-astronautes, Kosmodrome 2 qui pourrait déboucher un jour sur une colonisation de Mars. Ils doivent réparer le panneau solaire d'un vaisseau spatial plongé dans l'eau, nettoyer de détritus un relief semblable à Mars, fabriquer une rover, expérimenter un vol parabolique, etc. En sous-équipes de 4-5 individus, les élèves échangent sur leurs découvertes au sein de cercles littéraires. Placés devant le défi technologique de construire un manège, les élèves échangent leurs idées.
Mise en situation
Cette situation d’apprentissage s’appuie sur le cinquième opus de science-fiction Georges et la lune bleue (2016) co-écrit par le physicien Stephen Hawking et sa fille Lucy. Le roman permet de mettre en relief les conceptions premières des élèves sur les missions habitées et de les guider dans la conception et la fabrication d’un manège d’entraînement spatial. Dans le roman, les deux héros Georges et Annie sont prêts à tout pour participer à un programme d’entraînement d’astronautes en herbe. Et les défis ne manquent pas : ils doivent réparer le panneau solaire d’un vaisseau, expérimenter la flottabilité neutre, construire une imprimante 3D pour recycler les détritus, concevoir et piloter un rover sur une surface similaire à Mars, expérimenter un vol parabolique, etc.
Lors du décollage et pendant les différentes étapes d’un vol spatial, le corps des astronautes subit différentes forces. Afin de bien se préparer à vivre ces conditions extrêmes, les astronautes s’entraînent. En tant qu’ingénieurs, les élèves doivent élaborer le prototype d’un manège d’entraînement destiné à des astronautes. Des extraits d’animation leur permettront de se familiariser avec ces types d’entraînements et avec les forces en jeu. Dans leur prototype de manège, une bille de verre pourra remplacer l’astronaute. Ils devront considérer les forces suivantes : la gravité, l’inertie et la force centrifuge, de même qu’expliquer ce qu’est l’énergie cinétique et potentielle.
Note didactique

L’enseignant discute de la vie de Stephen Hawking et de ses travaux de recherche en présentant au tableau interactif le site de la BBC. Il lit le premier chapitre du roman aux élèves. Les élèves sont conviés à élaborer les plans virtuels d’un manège d’entraînement spatial afin de faire vivre aux deux astronautes les effets de la gravité, de l’inertie et des forces centrifuge et centripète. L’enseignant aide les élèves à identifier et à cerner le problème. Dans Tinkercad, les élèves utiliseront une bille et un plan incliné au sein de l’interface “laboratoire de simulation”. L’enseignant explique aux élèves ce que sont les concepts de gravité, d’inertie et les forces centrifuge et centripète. En projetant au tableau le site internet de Tinkercad, l’enseignant modèle un exemple de conception dans laquelle une bille descend un plan incliné, entreprend un virage et une boucle complète. Il revient avec les élèves sur les différentes forces subies par la bille dans l’exemple. Une période de 55 minutes est nécessaire pour concevoir et tester. L’enseignant simule la descente de la bille en programmant chaque objet au sein de l’interface. Certains seront en mouvement (la bille, par exemple) et d’autres seront fixes (le plan incliné, etc.). Si le temps le permet, l’enseignant demande aux élèves de présenter leur parcours au tableau et d’expliquer les forces subies par la bille.
L’enseignant propose aux élèves le défi de fabriquer un manège d’entraînement spatial avec des tuyaux isolants et une bille de verre. Le parcours doit permettre à la bille de demeurer en mouvement le plus longtemps possible. Il lit le deuxième chapitre du roman et en profite pour évoquer de nouveau les forces qui doivent être étudiées dans cette conception. L’enseignant présente aux élèves les moments forts d’une démarche de conception. Il rappelle l’importance de bien formuler le problème de départ. L’enseignant présente aux élèves comment fabriquer une boucle, une vrille sur le côté et une montagne avec la tuyaux isolants et le ruban-cache. Il fait le test avec eux en faisant descendre la bille de verre. Puis, le groupe-classe est séparé en équipes de 2 ou 3 élèves. L’enseignant remet le matériel suivant aux équipes : 1 bille et 4 tuyaux (coupés en 2 dans le sens transversal). Les élèves pourront venir demander des sections de 20 à 30 centimètres de ruban-cache au besoin afin d'éviter le gaspillage. Les élèves se questionnent à savoir à quelle hauteur le parcours devrait débuter. Un tabouret est remis aux élèves pour fixer le début du parcours suffisamment haut. Lorsqu’ils ont terminé leur parcours, l’enseignant demande aux élèves de le filmer avec une tablette numérique et de faire un montage avec iMovie ou CapCut dans lequel ils expliquent les 4 forces en jeu dans cette conception. Lors d’une quatrième période, les équipes présentent leur parcours aux collègues de classe.
L’enseignant propose aux élèves le défi de fabriquer un manège d’entraînement spatial avec des tuyaux isolants et une bille de verre. Le parcours doit permettre à la bille de demeurer en mouvement le plus longtemps possible. Il lit le deuxième chapitre du roman et en profite pour évoquer de nouveau les forces qui doivent être étudiées dans cette conception. L’enseignant présente aux élèves les moments forts d’une démarche de conception. Il rappelle l’importance de bien formuler le problème de départ. L’enseignant présente aux élèves comment fabriquer une boucle, une vrille sur le côté et une montagne avec la tuyaux isolants et le ruban-cache. Il fait le test avec eux en faisant descendre la bille de verre. Puis, le groupe-classe est séparé en équipes de 2 ou 3 élèves. L’enseignant remet le matériel suivant aux équipes : 1 bille et 4 tuyaux (coupés en 2 dans le sens transversal). Les élèves pourront venir demander des sections de 20 à 30 centimètres de ruban-cache au besoin afin d'éviter le gaspillage. Les élèves se questionnent à savoir à quelle hauteur le parcours devrait débuter. Un tabouret est remis aux élèves pour fixer le début du parcours suffisamment haut. Lorsqu’ils ont terminé leur parcours, l’enseignant demande aux élèves de le filmer avec une tablette numérique et de faire un montage avec iMovie ou CapCut dans lequel ils expliquent les 4 forces en jeu dans cette conception. Lors d’une quatrième période, les équipes présentent leur parcours aux collègues de classe.
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