Comment "faire tomber moins vite" une balle de ping-pong ?

Objectif : Concevoir une expérimentation en lien avec la vie quotidienne pour répondre à la question initiale.

Phase 1 (collectif)

Introduire le problème à partir de la situation suivante :
L'enseignant lâche une balle de ping-pong, elle tombe. Il pose la question aux enfants : « Pouvez-vous la faire tomber moins vite ? » Les enfants répondent par oui ou par non (c'est une question fermée).

Les questions introduites doivent être claires, précises et ciblées et les élèves doivent pouvoir les relier à leurs propres expériences pour pouvoir donner du sens à ces activités scientifiques. La question est alors reformulée.

Phase 2 (par groupes)

« Comment peut-on la faire tomber moins vite ? ». L'enseignant demande aux élèves de chaque groupe de concevoir un projet pour répondre à cette question et de le dessiner sur le carnet d'expériences.
Les élèves émettent leurs hypothèses.
Pour faciliter les échanges qui suivront, l'enseignant demande aux élèves de noter leurs hypothèses à l'aide de dessins ou d'écrits simples. Il les guide pour arriver à des illustrations et des explications plus claires.

Projet d'expériences proposées par les élèves dans leur cahier

Propositions : Les élèves proposent de fabriquer un parachute pour soutenir la balle de ping-pong ; d'accrocher la balle de ping-pong à un ballon ; de coller des plumes à la balle de ping-pong ; de mettre la balle de ping-pong dans le ballon ; d'envelopper la balle de ping-pong dans un papier ; de souffler fortement (à l'aide d'un sèche-cheveux) vers le haut sous la balle de ping-pong…

Phase 3

Présentation à la classe des propositions de chaque groupe.
Les élèves présentent leurs dessins aux camarades pour demander leurs avis et conseils.
Certains projets d'élèves peuvent faire ressortir quelques perceptions fausses. L'enseignant n‘indique pas directement ces erreurs, mais les fait découvrir à travers des discussions entre les élèves, ou par l'expérimentation.
Pendant les présentations commentées des dessins, l'enseignant demande aux élèves d'expliciter leurs raisonnements. L'objectif est de leur faire comprendre que l'hypothèse vient des expériences de la vie quotidienne et des connaissances acquises, qu'elle est basée sur des faits et n'est pas seulement le fruit de l'imagination.
A ce moment-là, il faut inciter les élèves à échanger leurs expériences de la vie quotidienne, partager leurs idées, se poser des questions et se donner des conseils, formuler des exemples et contre-exemples qui étayent ou fragilisent leurs propos.

Quelques raisonnements possibles des élèves, quelques relances possibles de l'enseignant :

1. « Coller des plumes à la balle de ping-pong » : c'est parce que les oiseaux ont beaucoup de plumes et les objets avec des plumes tombent moins vite.
L'enseignant questionnera les enfants de façon plus approfondie : combien de plumes veux-tu coller ? Pourquoi ne peut-on pas coller une seule plume ? Le nombre de plumes est-il important ?

2. « Mettre la balle de ping-pong dans le ballon », c'est parce que le ballon est plus léger que la balle de ping-pong, ainsi la balle de ping-pong devient légère dans le ballon. A l'aide (ou à partir) de cette hypothèse, l'enseignant peut organiser une discussion entre les élèves, les conduire à s'expliquer à l'aide du résultat de l'expérimentation.
Le maitre les incite à peser leur ballon, ils pourront alors remettre en cause cette explication. Chemin faisant, l'enseignant peut demander aux élèves d‘expliciter leurs intentions, les justifier et préciser les protocoles, oralement.

Phase 4 : passage à l'écrit

Les élèves corrigent et améliorent leur hypothèse en se basant sur les échanges précédents avec le maître et leurs camarades. Ils établissent leur projet d'expériences, réfléchissent au protocole, au matériel nécessaire et le notent sur leur cahier.

L'enseignant peut les guider davantage : pour prouver que ces protocoles sont valables, comment mettre en œuvre l'expérimentation ?

Echanges oraux et écrits sur le matériel nécessaire

Expériences proposées par les élèves

Objectif : tester la validité de sa méthode pour retarder la chute de la balle de ping-pong. Pendant l'expérimentation, prendre conscience qu'il faut réunir des conditions élémentaires pour comparer des dispositifs.

Phase 1

Les élèves mettent en œuvre le protocole élaboré lors de la séance précédente.
L'enseignant observe et note les problèmes rencontrés par chaque groupe. Il organise des discussions ou questionne les élèves pour les amener à réfléchir sans leur donner la solution.

Exemples de problèmes rencontrés lors des expérimentations des élèves :

1 - Les élèves n'ont pas conscience qu'il faut comparer les temps de chute pour prouver que la balle de ping-pong tombe moins vite. (En première séance, presque tous les élèves ont négligé cette comparaison.)
2 - Certains élèves ont préparé un chronomètre pour mesurer la durée de chute de la balle de ping-pong, mais ne peuvent pas l'utiliser. La durée de chute est trop courte.
3 - Des problèmes techniques de fabrication conduisent à l'échec de l'expérimentation. (Par exemple, la balle de ping-pong ne tient pas attachée avec un fil.)
4 - Les élèves peuvent être attirés par l'expérimentation des autres groupes, ou abandonner leur propre projet en raison de difficultés. (Un groupe qui a programmé d'utiliser l'hélice pour retarder la balle de ping-pong a abandonné son projet après quelques échecs sans laisser aucune trace de cette expérience).
5 - Certains utilisent un sèche-cheveux pour retarder la chute de la balle de ping-pong, mais ils découvrent qu'ils n'ont pas de solution pour contrôler le souffle (direction, trajectoire de la balle…).

Phase 2

L'enseignant organise un débat entre les élèves pour discuter des problèmes auxquels ils ont été confrontés au cours de leurs expérimentations.
Quand le problème concerne beaucoup d'élèves, il est préférable de le résoudre en s'appuyant sur des discussions collectives. Sinon, l'enseignant peut apporter une aide individuelle.

Conseil pour guider les élèves face au problème 1 :
Les élèves n'ont pas pris en compte la comparaison du temps de chute de la balle. 
L'enseignant pose la question : de quelle manière peux-tu prouver que la balle tombe moins vite que d'habitude ? La mise en oeuvre des propositions d'élèves devrait conduire les élèves à rencontrer de nouveaux problèmes. S'il leur demande de tester immédiatement, il y aura de nouveaux problèmes : par exemple, si les deux balles ne tombent pas de la même hauteur et si elles ne sont pas lâchées en même temps, (cette comparaison est-elle encore valable ?). L'enseignant peut ensuite les amener à reconnaître ensemble que pour connaitre l'écart entre les temps de chute, il faut pouvoir comparer, et pour faire cette comparaison, il faut contrôler quelques variables, par exemple, les deux balles doivent partir en même temps et de la même hauteur.

Grâce aux conseils des camarades, les élèves savent que pour prouver qu'une balle de ping-pong tombe moins vite, il faut comparer les temps de chute.

Conseil pour guider les élèves face au problème 2 :
Les élèves ont préparé un chronomètre pour mesurer le temps de chute de la balle de ping-pong.
Ils ne peuvent pas réaliser leur projet car le temps de chute est bien trop court.

Les élèves essaient sans succès de mesurer le temps de chute avec le chronomètre « on n'a pas le temps d'appuyer ».

Dans cette expérimentation, le résultat mesuré par le chronomètre est-il aussi précis que nous l'avions espéré ? Si non, pourquoi? Par rapport à la mesure à vue d'oeil, quels sont les avantages et les inconvénients ? Après discussion, les élèves arrivent à la conclusion qu'il existe des méthodes diverses pour comparer. Chaque méthode a ses avantages et inconvénients. Il faut faire son choix selon les conditions expérimentales.

Conseil de guidage pour le problème 3 :
Des problèmes techniques de fabrication conduisent à un échec de l'expérimentation.
Un élève veut accrocher un parachute à la balle de ping-pong. Il commence tout d'abord par utiliser un fil mais ne réussit pas, car la balle est ronde. Les élèves sont aussi souvent perplexes face à des problèmes de fabrication. L'enseignant peut leur conseiller de montrer leur expérience aux autres élèves pour que l'on puisse chercher à résoudre les problèmes en discutant tous ensemble.
Un autre élève lui conseille de coller le fil sur la balle. Le problème est ainsi facilement résolu.

Conseil de guidage pour le problème 4 :
Les élèves peuvent être attirés par l'expérimentation des autres groupes, ou abandonner leur propre projet en raison des difficultés rencontrées. L'enseignant doit s'en rendre compte à temps et amener les élèves à réaliser leur projet d'expérimentation. Pour éviter que certains d'entre eux renoncent à cause des difficultés, il peut organiser les groupes de façon à aider à l'amélioration et à la correction des projets. Il faut également les aider à verbaliser les causes de l'échec et à en rendre compte en reproduisant des expériences et en partageant les résultats dans la classe. « Qu'est-ce que nous apprend cet échec ? » « Ces expériences sont aussi utiles, veux-tu faire un bilan et le présenter à la classe ? » Il faut expliquer aux élèves que les échecs sont également instructifs.

Conseil de guidage pour le problème 5 :
Certains soufflent sur la balle de ping-pong à l'aide d'un sèche-cheveux, mais ils n'obtiennent pas l'effet prévu.
L'enseignant demande à tous les élèves de chercher ensemble les causes de ces problèmes. Il leur demande d'essayer diverses solutions pour améliorer l'expérimentation. En guidant les enfants, ces derniers prennent conscience que le courant d'air doit être orienté et canalisé dans la direction de la balle.
Pendant que les élèves résolvent ces problèmes, ils en découvriront probablement d'autres qui méritent des investigations. L'enseignant doit prendre en note ces nouveaux problèmes pour décider s'il est pertinent de les étudier dans les séances suivantes. Dans la négative, il apporte les aides nécessaires pour franchir l'obstacle.

Phase 3

Les élèves prennent en note le résultat des discussions collectives, et améliorent leur projet d'expérimentation. L'enseignant aide les élèves à différencier leurs propres notes (en les caractérisant avec un signe particulier), les conseils des autres élèves ou les idées nouvelles. Ainsi, les enfants sont sensibilisés au respect des réflexions de leurs camarades.

Les élèves notent les conseils des autres élèves et leurs propres idées d'amélioration.

Les élèves notent les résultats d'expérimentations améliorées.

Objectif : Percevoir que la vitesse de chute des objets est reliée à la résistance de l'air.

Phase 1

Améliorer son projet, continuer l'expérimentation et veiller à laisser une trace écrite.
L'élève peut répéter la démarche de la précédente séance :

- expérimenter;
- rencontrer de nouveaux problèmes;
- en discuter;
- refaire l'expérimentation.

Il faut donner aux élèves autant de temps que possible pour les travaux et les discussions. On va découvrir que les élèves sont en train de s'approcher pas à pas des faits. L'enseignant doit attirer l'attention des élèves : « As-tu noté ce que tu as vu et ce que tu as expérimenté ? »

Phase 2

Tester les situations d'expérimentation des autres groupes, percevoir que la vitesse de la chute est reliée à la résistance de l'air.
Lors de la première expérimentation, la plupart des élèves n'a pas encore réfléchi aux causes du ralentissement de la chute de la balle de ping-pong. Sans orientation de l'enseignant, les élèves risquent de négliger cette question très importante dans cette séance. A partir des résultats d'expérimentation précédents, l'enseignant organise donc une discussion sur ce sujet.
L'enseignant peut poser la question suivante : « D'après vous, pour quelle raison la balle de ping-pong tombe-t-elle moins vite ? » A ce moment-là, les élèves vont dire peut-être que c'est le parachute, le ballon ou un autre dispositif qui a retardé la chute de la balle de ping-pong. L'enseignant peut alors demander: « Comment ceux-ci ont-ils retardé la chute de la balle de ping-pong ? Comment ont-ils fait ? » A ce moment-là, les élèves disent souvent que c'est l'air qui tient le parachute et le ballon. Ainsi, l'enseignant peut les conduire à observer que c'est toujours l'air qui intervient dans chaque expérience pour retarder la balle de ping-pong. Cette explication est compréhensible et applicable par des enfants de 8 ans, il n'est pas nécessaire de leur demander d'utiliser le terme de « résistance de l'air ».

Une petite fille décrit sa découverte ainsi : « Puisque la balle de ping-pong est collée avec des plumes très serrées, l'air ne peut pas rentrer dedans, elle tombe moins vite. L'autre balle de ping-pong est collée seulement à quelques plumes, l'air rentre facilement à travers les trous, et elle tombe donc plus vite. »

Phase 3

Chaque enfant met en œuvre les protocoles proposés et en prend note (dessins, conclusions). Une discussion collective permet de comparer les différentes observations et les contraintes.

Phase 4

L'enseignant demande aux élèves de noter ce qu'ils ont appris dans chaque séance, y compris les connaissances et les questions, et propose aux élèves d'exposer leurs écrits. On procède ainsi pour aider les enfants à organiser et à construire leurs connaissances, leur permettant d'apprendre ensemble, confortant leur confiance et améliorant leur capacité de s'exprimer.

L'enseignant prendra en note la conclusion de la discussion collective.
On peut utiliser (ou exploiter) directement les paroles des élèves, par exemple : « l'air soutient le parachute et a retardé la chute de la balle de ping-pong. » « L'air ne peut pas passer dans les plumes et retarde la chute de la balle de ping-pong », etc. Mais s'il existe des erreurs lors de la verbalisation, l'enseignant doit l'indiquer et aider l'enfant à reformuler. Il ne faut pas laisser aux élèves des concepts faux ou confus à la fin de la séance.

Quand les élèves perçoivent les effets de la résistance de l'air sur la chute de la balle de ping-pong, notre objectif d'enseignement est atteint.

L'écrit d'un élève