Comment explorer le sol martien ?

Situation déclenchante

En premier lieu, l’enseignant demande aux élèves de faire le point sur le projet d’exploration de Mars. Ceux-ci évoquent le recours à une navette spatiale habitée. L’enseignant demande alors comment l’exploration scientifique de la planète va être possible étant donné que l’équipage ne pourra pas beaucoup s’éloigner de la navette (autonomie des scaphandres). Les élèves arrivent à la conclusion qu’un véhicule sera nécessaire à l’exploration scientifique de Mars, à l’image du robot explorateur Curiosity qui, depuis son arrivée le 6 août 2012, se déplace, prend des photographies, réalise des forages, prélève et analyse des échantillons.

Activité

La réalisation d’un robot d’exploration est proposée aux élèves. Se pose alors la question des caractéristiques que ce robot devra posséder afin de mener à bien sa mission. Or, pour avoir une idée des exigences à respecter, il est nécessaire de connaître la morphologie et la composition du sol martien.

À l’aide de la vidéo de Curiosity, des photographies de la surface de Mars et du texte présentant le sol et le sous-sol martiens, les élèves doivent décrire la surface de la planète. Ils ont également à leur disposition des échantillons de roches qu’ils peuvent observer et manipuler avec la consigne très ouverte de noter leurs constatations, de manière à les laisser libres quant aux critères auxquels s’intéresser (couleur, cohérence, dureté, porosité, etc.) sans les aiguiller sur les caractéristiques pertinentes par rapport au déplacement du robot.

Note scientifique :

• Une roche cohérente résiste à la pression des doigts et ne s’effrite pas car elle est formée d’éléments fortement soudés entre eux (ex. : roches volcaniques).
• Une roche friable s’effrite facilement si on la frotte avec les doigts ou si on la gratte avec l’ongle (ex. : craie).
• Une roche meuble s’écoule entre les doigts car elle est formée d’éléments non soudés entre eux (ex. : sable, argile).
• Ne pas confondre cohérence et dureté. Le gypse, par exemple, est une roche cohérente, mais c’est une roche tendre car on peut la rayer avec l’ongle alors que le sable est une roche meuble, mais dure car elle raye le verre.

Mise en commun 

Les élèves exposent à l’oral ce qu’ils ont observé sur les différents supports : les paysages martiens présentent différentes formes (surfaces planes, reliefs, etc.), le sol et le sous-sol sont composés de roches de natures différentes (argiles, roches volcaniques), l’argile forme une poudre alors que le basalte et l’andésite sont compactes.

Il peut être intéressant de comparer les productions des élèves et de leur faire analyser la manière dont ils ont présenté leurs observations (texte, tableau, etc.) en les projetant à l’ensemble de la classe avec la visionneuse ou le vidéoprojecteur.

Conclusion et trace écrite

L’enseignant introduit le vocabulaire scientifique nécessaire à la description des paysages et des roches : modelé, roches cohérentes et roches meubles. Les élèves attribuent à chaque roche étudiée la caractéristique correspondante : basalte et andésite sont des roches cohérentes, l’argile est une roche meuble.

La trace écrite peut prendre, par exemple, la forme suivante :

La forme du paysage est appelée modelé du paysage. La surface de Mars et son sous-sol sont constitués de roches.

Les roches cohérentes sont formées d’éléments soudés entre eux. Les roches meubles sont formées d’éléments non soudés entre eux. Les roches cohérentes sont plus résistantes que les roches meubles. Sur Mars, on trouve à la fois des roches meubles et des roches cohérentes.

Situation déclenchante

Lors de la séance précédente, les élèves ont appris que le sol martien est constitué de roches, certaines cohérentes et d’autres meubles, le paysage pouvant présenter des reliefs. Compte-tenu de ces caractéristiques, ils envisagent alors les difficultés auxquelles le robot sera confronté lors de son exploration de Mars.

Activité

Les élèves avancent que le véhicule devra pouvoir se déplacer sur un sol meuble, couvert de roches cohérentes. Il devra donc ne pas s’enliser lorsqu’il se déplacera sur un terrain meuble et ne pas rester bloqué par les roches et autres irrégularités du sol martien.

L’enseignant présente les quatre robots explorateurs pouvant être réalisés au collège : U-run, U-crab, U-car et U-bridge.

© Benoît Pascal et Thomas Berrond, d’après http://arnaud.bulcke.free.fr 

La question du choix du robot le plus performant pour se déplacer sur Mars se pose alors naturellement. 

À l’aide des modèles numériques de chacun des robots, les élèves, par petits groupes, tentent de dégager les caractéristiques de chacun d’eux (présence ou non de roues, mode de locomotion, etc.), ainsi que leurs avantages et inconvénients concernant le déplacement sur la surface martienne.

Mise en commun

Les élèves donnent les caractéristiques de chaque robot et débattent de leurs conclusions. Ils en arrivent à l’idée que les modèles numériques sont insuffisants pour déterminer quel robot sera le plus adapté pour se déplacer sur Mars et qu’il faut donc réaliser des maquettes réelles pour faire des tests.

Trace écrite

Elle peut prendre la forme suivante : Les modèles numériques donnent des informations qui ne permettent pas de comparer les performances des quatre robots. Il faut réaliser des maquettes.

Situation déclenchante

La réalisation des maquettes de robots explorateurs nécessite l’utilisation de plusieurs machines : fraiseuse, cisaille guillotine, perceuse à colonne et thermoplieuse, dont il faut apprendre à se servir en respectant les règles de sécurité.

Activité

Les élèves sont divisés en quatre groupes, chacun recevant une pochette contenant les fiches de travail et les pièces brutes. 

L’enseignant attribue à chaque groupe une machine et instaure un sens de rotation de manière à ce que les groupes s’entraînent successivement à utiliser les quatre appareils. Les élèves doivent se servir des informations concernant chaque machine pour remplir la fiche de travail correspondante, avant de réaliser la manipulation proposée. 

Note pédagogique :

• Les élèves ont beaucoup de difficultés à mesurer avec précision et à convertir les mm en cm. Il faut leur expliquer le mode d’utilisation du réglet, de l’équerre, de la pointe à tracer, reprendre les mesures avec eux à chaque fois et leur expliquer pourquoi la précision sera primordiale. Des tableaux de conversion sont affichés dans la salle afin que les élèves puissent s’y référer en permanence.
• La pièce brute à cisailler fournie aux élèves présente un angle droit qui constituera le point de départ pour réaliser les mesures et tracer les traits de coupe :

• Le professeur demande aux élèves de ne coller les fiches de travail dans leur cahier qu’une fois qu’elles seront complétées et la pièce transformée, ceci afin de ne pas déplacer les cahiers près des machines. En attendant, les fiches inutilisées sont laissées dans la pochette contenant le matériel.
• Les élèves ont tendance à vouloir tout de suite manipuler et à bâcler la préparation de la pièce (repérage des dimensions, position du trou, etc.). 
• Cette première appropriation du matériel permet à l’enseignant de repérer les groupes qui rencontrent plus ou moins de difficultés dans la préparation et la réalisation des pièces. Cela pourra orienter l’attribution des robots à réaliser lors de la séquence suivante.

Mise en commun

Le professeur récupère les pièces réalisées par les quatre groupes et empile les pièces d’une même couleur. Comme chaque groupe a usiné les mêmes pièces, celles-ci devraient théoriquement être identiques. Les élèves constatent pourtant que des différences existent : des écarts de quelques mm à quelques cm sont visibles. Le professeur souligne que même une différence d’un ou deux mm pourra empêcher le robot de fonctionner. Enfin, il amène les élèves à réfléchir à l’ordre dans lequel les opérations doivent être effectuées (notion d’antériorité) afin qu’ils réalisent par exemple qu’il est nécessaire de percer une pièce avant de la plier.

Conclusion et trace écrite

Chaque élève colle sur son cahier les quatre fiches de travail.

La trace écrite peut prendre la forme suivante : L’ordre dans lequel les opérations d’usinage sont effectuées est important : il est nécessaire de percer une pièce avant de la plier.

Situation déclenchante

Lors de la séance précédente, les élèves se sont entraînés à utiliser quatre machines : la thermoplieuse, la fraiseuse, la cisaille guillotine et la perceuse à colonne. Le moment est venu de fabriquer les maquettes. 

Le professeur attribue à chaque groupe le robot qu’il devra réaliser en fonction des aptitudes des élèves repérées lors de la séquence 3. En effet, les robots U-run et U-crab sont plus difficiles à concevoir que les deux autres car ils requièrent une grande précision. Il peut s’avérer judicieux de confier leur réalisation aux groupes ayant montré le plus de facilités lors la phase d’entraînement.

Activité

Après avoir soigneusement pris connaissance du dossier technique du robot (en particulier, un temps pour la lecture des dessins techniques s’impose), les élèves travaillent par groupe en autonomie à la réalisation de leur maquette en respectant les étapes suivantes énoncées par le professeur :

• lister les caractéristiques des plaques de PVC nécessaires à la maquette (type de plastique, épaisseur, dimensions) et en faire la demande auprès du professeur.
• identifier les usinages et pliages à réaliser et déterminer dans quel ordre ces opérations doivent être faites.
• usiner et plier les plaques de PVC.
• assembler les différentes pièces du robot.
• tester le fonctionnement du robot et rechercher éventuellement les causes de pannes.

Note pédagogique

• Au collège Boris Vian, les professeurs ont laissé les élèves procéder par essais-erreurs tout au long de la conception : ces derniers avaient le temps de recommencer s’ils s’étaient trompés et la quantité de matériel disponible était prévue en conséquence. L’équipe pédagogique a constaté que, malgré les mises en garde lors des séances précédentes, beaucoup d’élèves ont commencé par plier leur plaque de PVC et se sont ensuite aperçus qu’ils ne pouvaient plus la percer.
• L’assemblage des différentes pièces du robot lors de la dernière étape demande de la dextérité et révèle parfois le manque de précision du perçage. Au moment du montage, les élèves doivent une fois encore choisir les outils appropriés (tournevis de la bonne taille et de la bonne forme pour visser par exemple).
• Il est indispensable que tous les professeurs soient autonomes dans l’utilisation des différentes machines. Pour cela, il est préférable de prévoir un entraînement suffisamment long pour que chacun ait le temps de se sentir à l’aise dans leur maniement et puisse faire face aux pannes ou imprévus.
• On peut préparer une fiche ressource pour chaque machine (arrêt d’urgence, redémarrage, problèmes courants) à laquelle se référer en cas de problème pendant la séance.

Mise en commun et trace écrite

Le professeur interroge les élèves sur les difficultés rencontrées lors de la conception de la maquette et les solutions qui ont été mises en œuvre pour y remédier. Ce temps de prise de recul permet d’attirer l’attention et de garder une trace des points essentiels lors de la réalisation d’un objet technique, comme l’importance de la précision des mesures ou la nécessité de percer avant de plier une pièce.

Séance 1 : Modéliser la surface martienne 

Situation déclenchante

Les maquettes sont terminées et fonctionnent. Il s’agit maintenant de déterminer celle qui se déplace le plus efficacement sur le sol martien. 

Le professeur interroge les élèves : comment tester concrètement les capacités des différents robots à se déplacer sur la surface martienne ? Les élèves émettent l’idée de recréer l’environnement martien et de tester les robots dans celui-ci. Le premier problème à résoudre est donc de reconstituer un sol martien.

Activité

Le professeur demande aux élèves d’imaginer par petits groupes comment ils pourraient modéliser la surface de Mars et de faire la liste du matériel nécessaire. 

Une série d’échantillons de roches, dont certaines ont été présentées lors de la première séquence, sont mises à disposition des élèves. Ceux-ci sont libres d’aller choisir dans cette réserve les roches qu’ils souhaitent utiliser.  

Mise en commun

Un rapporteur de chaque groupe présente les roches retenues et justifie les choix qui ont été faits. L’enseignant anime le débat pour que la classe converge vers une composition définitive. Les roches qui n’ont pas été identifiées lors de la première séance sont écartées.

Les élèves réalisent ensuite leur modèle en plaçant de l’argile et des morceaux de roches volcaniques dans un aquarium. 

Séance 2 : définir les critères d’évaluation des robots

Situation déclenchante

Le moment est venu de tester les quatre maquettes sur le sol reconstitué. Sur quels critères va-t-on s’appuyer pour désigner le robot vainqueur ?

Activité

Le professeur demande aux élèves de préciser les critères qui permettront d’évaluer les performances de chacun des robots afin de pouvoir désigner un “gagnant”. Pour les aider, l’enseignant peut rappeler que certaines performances du robot ont été définies pendant la séquence 2 et qu’ils peuvent s’y référer. 

Mise en commun

Les élèves exposent leurs idées et débattent des critères qu’il est pertinent de retenir. Voici quelques exemples de critères de réussite possibles :

• Le robot est-il capable de se déplacer ? Si oui, quelle distance a-t-il parcouru ?
• Se déplace-t-il en ligne droite ?
• S’enlise-t-il dans l’argile ?
• Est-il capable de contourner ou de passer par dessus les morceaux de roches volcaniques ?

Trace écrite

Les élèves tracent un tableau qui permettra d’évaluer les quatre robots :

Note : les élèves décident d’une première liste de critères qu’ils réviseront une fois les premiers tests réalisés afin d’éliminer ceux qui sont impossibles à évaluer ou non pertinents et d’en inclure de nouveaux.

Séance 3 : désigner le(s) robot(s) vainqueur(s)

Les robots sont testés et évalués successivement.

Photographie de gauche : évaluation de U-crab ; photographie de droite : U-crab et U-car.

Mise en commun et conclusion

Les élèves débattent des performances de chaque maquette. Ils désignent le(s) robot(s) qui satisfont au maximum de critères établis précédemment et élaborent un classement.