SÉQUENCE ÉLECTRICITÉ – PROGRAMMATION CE2 – CM1 – CM2

QUESTIONNER LE MONDE – SCIENCES ET TECHNOLOGIE

SÉQUENCE ÉLECTRICITÉ – INITIATION A LA PROGRAMMATION (CE2 – CM1 – CM2)

PROGRAMMER : C’EST QUOI ?

LES RÉFÉRENCES AUX PROGRAMMES 2015 SONT EN FIN DE SÉQUENCE. CETTE SÉQUENCE A ÉTÉ CONÇUE POUR ÊTRE PEU ONÉREUSE. UNE CARTE ÉLECTRONIQUE ARDUINO COÛTE ENVIRON 20€. CET ACHAT PEUT COMPLÉTER LES MALLETTES ÉLECTRICITÉ DÉJÀ PRÉSENTES DANS CERTAINES ÉCOLES.

Séance 1 : 50′

Objectifs : appréhender l’électricité comme un flux de matière en déplacement. Appréhender la notion de circuit électrique comme une chaîne continue de matériaux conducteurs.

Matériel : différentes piles, 1 ou 2 coupleurs de piles, des câbles (fils dénudés), plaques ou objets métalliques, matériaux isolants, 1 ordinateur embarquant la suite Gcompris, 1 vidéoprojecteur, 1 souris et 1 clavier Bluetooth

Problèmes : 1) comment faire briller une ampoule ? 2) Comment faire briller une ampoule loin de la pile ?

Vocabulaire : bornes de l’ampoule (plot et culot), pôles de la pile (petite lame, grande lame), matériau isolant / conducteur, circuit électrique fermé / ouvert

Déroulement :

1) Le matériel est placé à la vue de la classe. Faire inférer les élèves sur la nature des problèmes qu’on leur posera. (réponses attendues : 1) comment faire briller une ampoule ? 2) Comment faire briller une ampoule loin de la pile ?) 5′

2) En binômes les élèves sont invités à décrire ou à dessiner les expérimentations qu’ils mèneraient devant la classe s’ils étaient interrogés (émissions d’hypothèses). 10′

3) Un premier binôme vient manipuler devant la classe : 1 élève réalise le montage, l’autre reproduit au tableau (ne pas effacer la trace des élèves) le travail fait préalablement en binôme (hypothèses). Faire intervenir d’autres binômes (2 autres suffisent au vu du nombre réduit de montages valides) ayant une proposition différente. Les modalités sont similaires : un « monteur », un « scripteur ». Faire remarquer les différences entre les montages proposés. Grâce aux traces laissées au tableau par les élèves faire émerger la/les raison(s) pour laquelle / lesquelles l’ampoule ne brille pas. Pointer la nécessité d’utiliser toujours le même dessin / symbole pour faciliter et harmoniser les échanges. Utilisation en vidéoprojection de la suite éducative Gcompris pour valider ou invalider un montage (voir vidéo ci-dessous). 25′

4) Formalisation sous forme de trace écrite lacunaire : pour que l’ampoule brille, il faut que le culot touche l’un des pôles de la pile et le plot l’autre pôle.

Certains matériaux sont isolants comme le plastique ou le bois : ils ne se laissent pas traverser par l’électricité. D’autres sont des matériaux conducteurs : ils se laissent traverser par l’électricité.

Pour que l’ampoule brille loin de la pile, il faut relier les deux pôles de la pile aux deux bornes de l’ampoule grâce des fils ou des objets conducteurs (notion de chaîne continue). Nous disons alors que nous réalisons un circuit électrique fermé. 10′

Séance 2 : le rôle de l’interrupteur dans un circuit électrique 1h05′

Objectif : appréhender l’interrupteur comme un objet « rompant » un circuit électrique / une chaîne continue de matériaux conducteurs.

Matériel : différentes piles, 1 ou 2 coupleurs de piles, des câbles (fils dénudés), plaques métalliques, 1 ordinateur embarquant la suite Gcompris, 1 vidéoprojecteur, 1 souris et 1 clavier Bluetooth

Problème : grâce au matériel que nous avons en classe, est-il possible de faire clignoter une ampoule ?

Autre problème : Quelle est la différence entre notre façon de faire clignoter l’ampoule et celle du clignotant de voiture ou du feu de signalisation ?

Vocabulaire : bornes de l’ampoule (plot et culot), pôles de la pile (petite lame, grande lame), matériau isolant / conducteur, circuit électrique fermé / ouvert, interrupteur

Déroulement :

1) Le matériel est placé à la vue de la classe. Pourriez-vous me donner des exemples d’objets qui utilisent des ampoules clignotantes (clignotant de voiture, feu de signalisation… Répertorier les propositions au tableau) ? Avec le matériel présent dans la classe, est-il possible de faire clignoter une ampoule ? Utiliser les notions travaillées en séance précédente pour répondre à la question. 5′

2) En binômes les élèves sont invités à décrire ou à dessiner les expérimentations qu’ils mèneraient devant la classe s’ils étaient interrogés (émissions d’hypothèses). 10′

3) Un premier binôme vient manipuler devant la classe : 1 élève réalise le montage, l’autre reproduit au tableau (ne pas effacer la trace des élèves) le travail fait en binôme (hypothèses). Faire intervenir d’autres binômes (2 autres suffisent au vu du nombre réduit de montages valides) ayant une proposition différente. Les modalités sont similaires : un « monteur », un « scripteur ». Faire remarquer les différences entre les montages proposés. Dans la classe est-il possible de faire clignoter l’éclairage ? Réponse attendue : un élève actionne l’interrupteur de la classe. A quoi sert un interrupteur ? Réponse attendue : à allumer ou à éteindre l’éclairage de la classe. 25′

4) Utilisation en vidéoprojection de la suite éducative Gcompris (voir vidéo séance 1) pour réaliser un circuit électrique avec interrupteur. A quel moment est-ce que l’ampoule brille ? Réponse attendue : lorsque le circuit est fermé. Lorsqu’il est ouvert l’ampoule ne brille pas car l’électricité ne circule pas (la chaîne continue / le circuit électrique est rompu(e)). 10′

5) Formalisation création de la trace écrite par les élèves : l’interrupteur est un outil qui ouvre ou ferme un circuit électrique. Il doit être placé avant l’ampoule. Lorsque l’interrupteur ouvre le circuit électrique, l’électricité ne circule pas, l’ampoule ne brille pas. Lorsque l’interrupteur ferme le circuit électrique, l’électricité circule, l’ampoule brille. 10′

6) Autre problème : Quelle est la différence entre notre façon de faire clignoter l’ampoule et celle du clignotant de voiture ou du feu de signalisation ? (réponse attendue : notre ampoule de clignote pas seule, nous / l’homme devons / doit actionner un interrupteur ou ouvrir le circuit électrique en débranchant un fil, en bougeant une plaque métallique… L’ampoule du feu de signalisation clignote seule après avoir été « activée » par l’homme. « L’homme demande la machine exécute. ») 5′

Séance 3 : commencer à programmer un personnage grâce à http://scratchx.org/#scratch 50′

Objectif : pouvoir programmer les bras d’un personnage virtuel.

Problèmes : 1) Arrêter les mouvements de bras du lutin Pico. 2) Placer les bras du lutin Pico en haut pendant 5 secondes et en bas pendant 2 secondes sans arrêt (en boucle). 3) Laisser les bras du lutin Pico toujours en haut. 4) Laisser les bras du lutin Pico toujours en bas. 5) Placer les bras du lutin Pico en haut pendant 3 secondes et en bas pendant 3 secondes une fois.

Matériel : 1 ordinateur avec navigateur équipé de l’extension Scratch X, 1 vidéoprojecteur, 1 souris et 1 clavier Bluetooth, un maximum d’ordinateurs connectés à internet (manipulation élèves)

Déroulement :

1) Lancer le site Scratch X et montrer les blocs de programmation qui serviront à la séance (les blocs de programmation sont à droite sur la photo ci-dessous).

Présenter la commande marche / arrêt du lutin Pico (drapeau vert). Présenter les 5 situations problèmes à solutionner lors de la séance : 1) Arrêter les mouvements de bras du lutin Pico. 2) Placer les bras du lutin Pico en haut pendant 5 secondes et en bas pendant 2 secondes sans arrêt (en boucle). 3) Laisser les bras du lutin Pico toujours en haut. 4) Laisser les bras du lutin Pico toujours en bas. 5) Placer les bras du lutin Pico en haut pendant 3 secondes et en bas pendant 3 secondes une fois. 15′

2) Programmation des bras du lutin Pico par les élèves (voir vidéo ci-dessous). 15′

3) Mise en commun / formalisation : les solutions aux 5 situations problèmes sont apportées par les élèves. Chaque solution est vidéo-projetée à la classe. L’intervention des élèves se fait à l’aide du clavier et de la souris Bluetooth.

trace écrite : pour agir sur les bras du lutin Pico je modifie les blocs de programmation. Lorsque j’assemble au moins deux blocs, je crée un programme. Ce programme demandera à Pico d’exécuter certains gestes avec ses bras. Dans la vidéo ci-dessus le programme qui anime Pico est composé de 6 blocs. 20′

Séance 4 : programmer le clignotement d’une DEL / LED virtuelle grâce au site http://scratchx.org/#scratch 1h25′

Objectifs : pouvoir réaliser un circuit électrique virtuel impliquant une pile, une résistance (comparée l’électricité au débit d’eau d’un robinet), une ou plusieurs DEL. Pouvoir programmer le clignotement d’une DEL virtuelle.

Matériel : 1 ordinateur avec navigateur équipé de l’extension Scratch X et embarquant la suite Gcompris, 1 vidéoprojecteur, 1 souris et 1 clavier Bluetooth, un maximum d’ordinateurs connectés à internet (manipulation élèves)

Problèmes : comment faire briller une DEL dans la suite Gcompris? Comment faire briller 2 puis 3 DEL dans la suite Gcompris ? Puis-je changer la façon dont la DEL du logiciel scratch x clignote (programmer une DEL) ?

Vocabulaire : pile, DEL, résistance (comparer l’électricité au débit d’eau d’un robinet), carte ARDUINO (qui nous aidera à faire clignoter une DEL), sens du courant

Déroulement :

1) Ouvrir la suite Gcompris électricité (vidéo-projetée). Présenter le placement des objets dans l’espace de travail (piles, ampoules, DEL, résistance). Montrer comment placer un nombre important de piles, d’ampoules dans l’espace de travail Gcompris. Montrer comment connecter les objets entre eux. 10′

2) Demander à la classe de faire briller la DEL. Les élèves font des tentatives grâce au clavier et à la souris Bluetooth. A chaque tentative, PE réalisera une capture d’écran du circuit électrique réalisé. 15′

3) Visionnage des captures d’écran (3 captures d’écran par exemple) de la phase précédente. Les élèves donnent les raisons pour lesquelles le circuit électrique est valide ou non. 10′

4) Ajouter une autre (ou deux autres selon aisance des élèves) DEL à ce circuit et la/les faire briller. Les élèves nomment les différents éléments à ajouter (DEL, résistance) et font des tentatives grâce au clavier et à la souris Bluetooth. A chaque tentative, PE réalisera une capture d’écran du circuit électrique réalisé. 15′

5) Visionnage des captures d’écran (3 captures d’écran par exemple) de la phase précédente. Les élèves donnent les raisons pour lesquelles le circuit électrique est valide ou non. 10′

6) Présentation vidéo-projetée du circuit électrique suivant : carte électronique ARDUINO + DEL + résistance, du site http://scratchx.org/#scratch rappel des notions travaillées (blocs de programmation) en séance précédente : programmation du lutin Pico 5′

7) Les élèves sont répartis sur un maximum d’ordinateurs connectés à http://scratchx.org/#scratch. Observer attentivement les blocs de programmation et la réaction de la DEL lorsque le drapeau vert est activé. Demander aux élèves de faire clignoter la DEL de différentes façons. 10′

8) Formalisation : vidéo-projection du site scratch x, rappel des notions découvertes en séance précédente. Chaque élève recevant le clavier devra faire clignoter la DEL différemment. 10′

Séance 5 : programmer le clignotement d’une DEL physique grâce au site http://scratchx.org/#scratch 1h00 ou plus

Objectifs : pouvoir programmer une DEL « physique ». Pouvoir définir le terme programmation.

Matériel : 1 ordinateur avec navigateur équipé de l’extension Scratch X et embarquant la suite Gcompris, 1 carte ARDUINO physique, 1 vidéoprojecteur, 1 souris et 1 clavier Bluetooth, un maximum d’ordinateurs connectés à internet, de plaques d’essais, de DEL, de résistances et de connecteurs (fils)

Problèmes : faire briller une DEL physique en reproduisant à l’identique un circuit électrique virtuel. Puis-je modifier la façon dont la DEL physique clignote = Puis-je programmer le clignotement d’une DEL ?

Vocabulaire : DEL, résistance, carte ARDUINO (qui nous aidera à programmer une DEL), plaque d’essais, connecteurs (fils)

Déroulement :

1) Rappel de la séance précédente : programmation du clignotement de la DEL grâce au site internet http://scratchx.org/#scratch 5′

2) Présentation du matériel utilisé lors de la séance : plaque d’essais, résistance, DEL. Faire remarquer que ce matériel est similaire à celui présent sur le site internet. Le défi de cette séance est de réaliser le montage électrique du site scratch x. Les élèves sont répartis en groupe. Les groupes peuvent se faire en fonction de la quantité de matériel. Dépasser 6 groupes dans une classe, pourrait rendre la phase d’essais fastidieuse. En effet, une fois leur montage terminé, les groupes doivent le valider en connectant leur plaque d’essai (équipée d’une résistance et d’une DEL) à la carte ARDUINO (voir vidéo ci-dessous). Minuter cette phase est difficile.

3) Lorsqu’un groupe parvient à faire clignoter sa DEL, PE demande à ce groupe de la programmer pour qu’elle clignote différemment. La classe valide. Le minutage dépend de la phase précédente.

4) Formalisation création de la trace écrite par les élèves ou trace écrite lacunaire : Que signifie programmer une DEL ? Source https://fr.vikidia.org/wiki/Langage_de_programmation

Il est possible de faire clignoter une DEL plus ou moins vite. Pour cela, nous devons communiquer avec elle grâce à un langage de programmation. C’est un code de communication entre un humain et une machine. L’ordinateur et la carte électronique ARDUINO nous ont permis d’écrire des programmes (en langage de programmation) pour faire clignoter la DEL. Voici un de ces programmes :

Le programme ci-dessus est compris par la DEL, qui clignote exactement comme le programme lui demande. 15′

RÉFÉRENCES AUX PROGRAMMES 2015

Compétences travaillées :

Pratiquer des démarches scientifiques et technologiques

Proposer, avec l’aide du professeur, une démarche pour résoudre un problème ou répondre à une question de nature scientifique ou technologique.

formuler une question ou une problématique scientifique ou technologique simple.
proposer une ou des hypothèses pour répondre à une question ou un problème.
proposer des expériences simples pour tester une hypothèse.
interpréter un résultat, en tirer une conclusion.

formaliser une partie de sa recherche sous une forme écrite ou orale.

Domaine du socle : 4

Concevoir, créer, réaliser

Identifier les évolutions des besoins et des objets techniques dans leur contexte.

Identifier les principales familles de matériaux.
Décrire le fonctionnement d’objets techniques, leurs fonctions et leurs composants.
Réaliser en équipe tout ou une partie d’un objet technique répondant à un besoin.
Repérer et comprendre la communication et la gestion de l’information.

Domaines du socle : 4, 5

Pratiquer des langages

Rendre compte des observations, expériences, hypothèses, conclusions en utilisant un vocabulaire précis.

Exploiter un document constitué de divers supports (texte, schéma, graphique, tableau, algorithme simple).

Utiliser différents modes de représentation formalisés (schéma, dessin, croquis, tableau, graphique, texte).

Expliquer un phénomène à l’oral et à l’écrit.

Domaine du socle : 1

Mobiliser des outils numériques

Utiliser des outils numériques pour : communiquer des résultats, traiter des données.
simuler des phénomènes, représenter des objets techniques.
Identifier des sources d’informations fiables.

Domaine du socle : 5

Décrire le fonctionnement d’objets techniques, leurs fonctions et leurs constitutions.
Connaissances et compétences associées	Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève
Représentation du fonctionnement d’un objet technique	Les élèves décrivent un objet dans son contexte. Ils sont amenés à identifier des fonctions assurées par un objet technique puis à décrire graphiquement à l’aide de croquis à main levée ou de schémas, le fonctionnement observé des éléments constituant une fonction technique. Les pièces, les constituants, les sous-ensembles sont inventoriés par les élèves. Les différentes parties sont isolées par observation en fonctionnement. Leur rôle respectif est mis en évidence.
Comparaison de solutions techniques : constitutions, fonctions, organes

Concevoir et produire tout ou partie d’un objet technique en équipe pour traduire une solution technologique répondant à un besoin.
Connaissances et compétences associées	Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève
Modélisation du réel (maquette, modèles géométrique et numérique), représentation en conception assistée par ordinateur	En groupe, les élèves sont amenés à résoudre un problème technique, imaginer et réaliser des solutions techniques en effectuant des choix de matériaux et des moyens de réalisation. Les élèves traduisent leur solution par une réalisation matérielle (maquette ou prototype). Ils utilisent des moyens de prototypage, de réalisation, de modélisation. Cette solution peut être modélisée virtuellement à travers des applications programmables permettant de visualiser un comportement. Ils collectent l’information, la mettent en commun, réalisent une production unique.
Maquette, prototype

Repérer et comprendre la communication et la gestion de l’information

Connaissances et compétences associées

Exemples de situations, d’activités

et de ressources pour l’élève

Le stockage des données, notions d’algorithmes, les objets programmables.

Les élèves apprennent à connaître l’organisation d’un environnement numérique. Ils décrivent un système technique par ses composants et leurs relations. Les élèves découvrent l’algorithme en utilisant des logiciels d’applications visuelles et ludiques. Ils exploitent les moyens informatiques en pratiquant le travail collaboratif. Les élèves maitrisent le fonctionnement de logiciels usuels et s’approprient leur fonctionnement.

Repères de progressivité

En CM1 et CM2, les matériaux utilisés sont comparés selon leurs caractéristiques dont leurs propriétés de recyclage en fin de vie. L’objet technique est à aborder en termes de description, de fonctions, de constitution afin de répondre aux questions : à quoi cela sert-il ? De quoi est-ce constitué ? Comment cela fonctionne-t-il ? Dans ces classes, l’investigation, l’expérimentation, l’observation du fonctionnement, la recherche de résolution de problème sont à pratiquer afin de solliciter l’analyse, la recherche, et la créativité des élèves pour répondre à un problème posé. Leur solution doit aboutir la plupart du temps à une réalisation concrète favorisant la manipulation sur des matériels et l’activité pratique. L’usage des outils numériques est recommandé pour favoriser la communication et la représentation des objets techniques.