Comment enseigner le concept d'énergie du cycle 3 à 4 ? Une approche progressive

Pour faciliter l'appréhension par les élèves du concept d'énergie, nous avons conçu une série de séquences d'activités de classe permettant une construction progressive du concept d’énergie.

• Nous proposons notamment une première approche expérimentale du concept d'énergie (« Appréhender expérimentalement le concept d’énergie - Cratères et météorites ») qui précise la manière dont l’enseignant doit introduire le concept d’énergie. 
• Nous conseillons d’enrichir cette première approche en abordant des thématiques pour lesquelles des mesures sont réalisables (température, pouls…) ou des modifications de la matière (fonte d’un carré de chocolat, fusion d’un glaçon…) sont observables.
• Enfin, nous suggérons de renforcer la compréhension du concept d'énergie en abordant l'exploitation technologique de différentes sources et formes d’énergie et les enjeux environnementaux associés.

Pour accompagner vos élèves et vous aider à mieux appréhender le concept d'énergie et les nombreuses notions qui s'y rattachent, vous pouvez consulter la carte conceptuelle suivante. Elle vous permettra d'entrevoir l'énergie de manière interdisciplinaire et précisera également certaines de ses propriétés fondamentales :

> La quantité totale d'énergie dans l'Univers est constante et finie. 
> L'énergie se conserve, elle n'est ni créée, ni détruite. 
> L'énergie peut prendre différentes formes et passer d'une forme à une autre.
> Une "source" d'énergie ne crée donc pas d'énergie.

La majorité des notions énoncées dans la carte conceptuelle est travaillée par les élèves au cours des activités proposées ci-dessous.

Nous proposons aux élèves de découvrir ce concept à l’aide d’une approche expérimentale. Il s’agit pour eux d’étudier la chute de billes dans de la semoule. Cette découverte s’effectue en deux temps : 

1. Dans un premier temps, les élèves constatent expérimentalement que le diamètre d’un cratère dépend de la masse et la hauteur de lâcher de la bille. Mais ils ne peuvent relier, par eux-mêmes, ces deux grandeurs à l’énergie possédée par la bille.
2. Dans un second temps, l’enseignant introduit le concept d’énergie. Il propose ensuite aux élèves de réexaminer la situation expérimentale du point de vue de l’énergie mise en jeu.

La situation expérimentale permet également d’envisager l’enseignement de l’énergie de manière progressive. En effet,  au cycle 4, on peut capitaliser sur la bonne connaissance des élèves de cette situation pour aborder différentes propriétés de l’énergie :  les formes d’énergie,  l’énergie se transforme, l’énergie se conserve.  Dans ce cas, il s’agira pour les élèves d’analyser la chaîne énergétique de la chute d’une bille. 
Une seconde situation « Bille qui roule n'amasse pas mousse », proche de la première, permet de consolider les notions abordées.

Les ressources pour la classe : 

• Cycle 3 et cycle 4 : " Appréhension expérimentale du concept d’énergie – Cratères et météorites"
• Cycle 4  : "Bille qui roule n'amasse pas mousse"
• Cycle 4  : "Chaîne énergétique - Chute d’une bille"

Tutoriels d'autoformation pour l'enseignant :

• Découvrir le concept d’énergie à partir d’une situation expérimentale “Cratères et météorites”
• Découvrir le concept d’énergie : cartes et scénarios conceptuels

Énergie et isolation thermique

Comprendre les notions d’isolation et de transfert d’énergie thermique demande souvent aux élèves de passer par au moins trois phases expérimentales successives : 

1. un matériau ou un objet isole du "froid", 
2. ou alors il isole du "chaud", 
3. puis avec l’aide de l’enseignant, à partir de l’interprétation des deux expérimentations précédentes, de comprendre qu’un matériau isolant limite les transferts d’énergie thermique entre deux systèmes.  

Mais attention, car au cours de leurs premières expérimentations, les sensations des élèves, au toucher des différents matériaux utilisés pour retarder la fonte d’un glaçon, vont constituer des obstacles à la bonne compréhension des notions visées. Pour cela, nous conseillons, dans un premier temps, de mettre en œuvre "Conserver un glaçon" pour, dans un second temps, compléter cet enseignement par les deux séquences suivantes "Glacière et thermos" et "Matériaux et sensations" dans l’ordre de votre choix.
"L’énergie dans l’habitat" peut s’envisager comme un réinvestissement de ce triptyque de départ, ou être traité comme un projet indépendant.

Les ressources pour la classe (adaptées pour les cycles 3 et 4): 

• Energie et isolation thermique (3 ressources) : Conserver un glaçon / Glacière et thermos / Matériaux et sensations
• L’énergie solaire
• L’énergie dans l’habitat (uniquement pour le cycle 3)

Tutoriels d'autoformation pour l'enseignant :

• Energie et isolation thermique
• Défi thermique (à venir)

Énergie et corps humain

Ces ressources permettent aux élèves de mobiliser le concept d’énergie dans le cadre de l’étude du fonctionnement du corps humain :

> Dans la ressource “Énergie et corps humain”, les élèves abordent le lien entre activité physique et énergie dépensée par l’organisme dans une approche interdisciplinaire EPS/SVT.
> Dans la ressource “Opération survie” ils quantifient l’énergie apportée à l’organisme par les aliments en croisant chimie et SVT.

Les ressources pour la classe :

• Cycle 3 : Énergie et corps humain : L’activité c’est toute la journée
• Cycle 4 : Opération survie

Tutoriels d'autoformation pour l'enseignant :

• Énergie et corps humain cycle 3
• Énergie et corps humain cycle 4

Arbres, matière et énergie

Les concepts de matière et d’énergie sont indispensables pour comprendre les problématiques environnementales (exploitation des ressources naturelles, des différentes formes d’énergie…). La ressource pédagogique "Arbres, matière et énergie", déclinée pour le cycle 3 et le cycle 4, aborde ces questions avec comme porte d’entrée le monde fascinant des arbres.

A partir de l’exploration de leur environnement proche, les élèves de cycle 3 découvrent l’organisation et le cycle de vie des arbres. Ils comprennent le rôle clé de la photosynthèse pour l’arbre lui-même mais aussi pour l’ensemble de l’écosystème. Ils remarquent enfin que le bois est un matériau omniprésent dans nos objets et qu’il faut prendre soin de cette ressource naturelle.

Au cycle 4, les élèves remobilisent et approfondissent ces savoirs. Ils comprennent le rôle des arbres dans le stockage du carbone (à partir d’observations de terrain et de calculs). Ils découvrent pourquoi le bois peut être considéré comme une forme d’énergie renouvelable. Ils réfléchissent enfin aux conditions qui permettront à cette ressource précieuse d’être disponible durablement. Une approche interdisciplinaire (SVT – mathématiques – chimie – géographie) favorise la découverte de ces concepts complexes mais majeurs.

Les ressources pour la classe :

Cycle 3

• Arbres, matière et énergie (cycle 3)

Cycle 4

• Arbres, matière et énergie (cycle 4)

Tutoriels d'autoformation pour l'enseignant :

• Arbres, matière et énergie cycle 3 (à venir)
• Arbres, matière et énergie cycle 4 (à venir)

Les élèves abordent différentes sources et formes d’énergie et leur exploitation dans nos sociétés d’un point de vue technologique.
En cycle 4, ces acquis leur permettent d’analyser les chaînes énergétiques de différents dispositifs technologiques, notamment ceux destinés à produire de l’électricité. C’est également l’occasion de réexaminer certains phénomènes, comme la chute d’une bille par exemple («  Appréhension expérimentale du concept d’énergie – Cratères et météorites »), pour identifier les différentes formes d’énergie impliquées et leurs transformations. La séquence « Bille qui roule n’amasse pas mousse » constitue un bon complément d’enseignement des chaînes énergétiques en proposant aux élèves un nouveau contexte d’analyse. Enfin, les enseignants peuvent engager les élèves dans un défi technologique « A l’abordage ! » pour aborder les notions citées précédemment (formes d’énergie, chaînes énergétiques, dispositifs technologiques) ou simplement pour les réinvestir. 

Les ressources pour la classe :

Cycle 3

• Sources et formes d’énergie (3 ressources) : L’énergie éolienne / L’énergie hydraulique / L’énergie solaire

Cycle 4

• Chaîne énergétique - Chute d’une bille
• Bille qui roule n’amasse pas mousse
• D’où vient l’énergie

Tutoriels d'autoformation pour l'enseignant :

• Produire de l'électricité
• A l’abordage C3 et C4
• Chaînes énergétiques C4