Comment explorer le sol martien ?

Cycle 4

Type de ressources

Séquence d'activités

Contributeur(s)

Elodie Gréa

Katia Allégraud

Travail collectif

Thème(s) Scientifique(s) 2nd degré

Astronomie

Objets techniques

Robotique

Crédits

CC BY-NC-SA 4.0 International

Ce module, qui s'adresse aux classes de 6e EIST, conduit les élèves à réaliser la maquette d’un véhicule permettant de se déplacer sur le sol martien.

CONTENU
Docs pédagogiques

Introduction

Le module proposé ici est le fruit du travail pluridisciplinaire mené par l’équipe pédagogique impliquée dans l’EIST du collège Boris Vian à Paris, qui est composée de professeurs de physique-chimie, de sciences de la vie et de la Terre et de technologie. Il a été testé dans plusieurs classes de 6^e EIST au cours de l’année scolaire 2012/2013 et est reconduit en 2013/2014.

Ce module conduit les élèves à réaliser la maquette d’un véhicule permettant de se déplacer sur le sol martien. Il s’intègre dans une progression annuelle construite autour du thème d’un voyage sur Mars et téléchargeable ici. D’une durée totale d’environ treize heures, il est divisé en cinq séquences et mêle des éléments du programme de sciences de la vie et de la Terre de la classe de 5^eet du programme de technologie de la classe de 6^e.

Le découpage horaire des séquences tient compte de la durée des séances en classe généralement observée en EIST, soit deux à trois heures consécutives. Néanmoins, ce module peut être mené, avec quelques adaptations, en dehors du dispositif d’EIST en classe de technologie.

Place du module dans la progression annuelle

Le module “Comment explorer le sol martien ?” a lieu en fin d’année scolaire. Au cours des mois précédents, les élèves ont tout d’abord situé Mars dans le système solaire, puis ont réfléchi au type d’engin qui serait capable de voyager dans l’espace (matériaux, source d’énergie). Le vol étant habité, ils se sont interrogés sur les besoins des êtres humains (aliments, eau, dioxygène) et les moyens de les satisfaire au cours du voyage. Le problème de la gestion des déchets et de l’entretien de la forme physique des astronautes a également été étudié.

Objectifs notionnels et méthodologiques

Éléments des programmes (en vigueur en 2012/2013):

Sciences de la vie et de la Terre - Classe de 5e

Les roches, constituant le sous-sol, subissent à la surface de la Terre une érosion dont l’eau est le principal agent. Les roches résistent plus ou moins à l'action de l’eau. Le modelé actuel du paysage résulte de l’action de l’eau sur les roches, du transport des particules et de leur accumulation sur place.

Technologie - Classe de 6e

Extraire d’un dessin, d’un plan, d’un schéma, d’un éclaté ou d’une nomenclature les informations utiles pour la fabrication ou l’assemblage.
Réaliser en suivant un protocole donné.
Utiliser rationnellement matériels et outillages dans le respect des règles de sécurité.
Réaliser un assemblage ou tout ou partie d’un objet technique en suivant une procédure formalisée

Livret personnel de compétences : grilles de références pour l’évaluation et la validation des compétences du socle commun, palier 3, janvier 2011.

Palier 3 > Compétence 3

> Les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique

Pratiquer une démarche scientifique, résoudre des problèmes.

Rechercher, extraire et organiser l’information utile.
Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes.
Raisonner, argumenter, pratiquer une démarche expérimentale ou technologique, démontrer.
Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l’aide d’un langage adapté.

Savoir utiliser des connaissances et des compétences mathématiques.

Grandeurs et mesures : réaliser des mesures (longueurs, durées, etc.).

Savoir utiliser des connaissances dans divers domaines scientifiques.

L’Univers et la Terre : organisation de l’Univers ; structure et évolution au cours des temps géologiques de la Terre, phénomènes physiques.
Les objets techniques : analyse, conception et réalisation ; fonctionnement et conditions d’utilisation.

Palier 3 > Compétence 4

> La maîtrise des techniques usuelles de l’information et de la communication

Créer, produire, traiter, exploiter des données.

Différencier une situation simulée ou modélisée d’une situation réelle.

Palier 3 > Compétence 6 > Les compétences sociales et civiques

Avoir un comportement responsable.

Respecter des comportements favorables à sa santé et sa sécurité.

Palier 3 > Compétence 7 > L’autonomie et l’initiative

Être capable de mobiliser ses ressources intellectuelles et physiques dans diverses situations.

Être autonome dans son travail : savoir l’organiser, le planifier, l’anticiper, rechercher et sélectionner des informations utiles.

Séquence 1 : de quoi est composé le sol martien ?

Résumé	:	Au cours de cette séquence, les élèves découvrent les reliefs et les roches qui composent la surface martienne. Cela leur servira de base pour définir les contraintes du robot martien. Durée: 2 heures
Objectif	:	Découvrir la morphologie et la composition du sol martien. Observer et manipuler des roches afin de déterminer certaines de leurs caractéristiques.
Matériel	:	Vidéo du robot Curiosity, photographie animée, photographies n°1, 2 et 3 de la surface de Mars. Photocopies du texte présentant la composition du sol et du sous-sol martiens. Échantillons de roches terrestres également présentes sur Mars : argiles rouges (illites), andésite, basalte.

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.

Séquence 2 : comment choisir un robot capable de se déplacer sur le sol martien ?

Résumé	:	Lors de cette séquence, les élèves identifient et comparent les caractéristiques de quatre robots explorateurs. Durée: 45 minutes
Objectif	:	Identifier les difficultés auxquelles un véhicule sera confronté lors de son déplacement sur le sol martien. Tenter d’évaluer les performances des quatre robots à partir de modèles 3D.
Matériel	:	Modèles numériques de quatre robots différents : U-run, U-crab, U-car et U-bridge.

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.

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.

Séquence 3 : quels outils pour réaliser les maquettes ?

Résumé	:	Au cours de cette séquence, les élèves découvrent et apprennent à utiliser les machines nécessaires à la confection du robot d'exploration : fraiseuse, cisaille guillotine, perceuse à colonne et thermoplieuse.
Objectif	:	Découvrir les outils nécessaires à la réalisation des maquettes. S’entraîner à les utiliser. Apprendre à usiner des pièces en effectuant les opérations dans le bon ordre et avec précision.
Matériel	:	Une fraiseuse. Une cisaille guillotine. Une perceuse à colonne. Une thermoplieuse. Une pochette par groupe d’élèves contenant quatre plaques en plastique de couleurs différentes (verte, jaune, noire et bleue), un réglet et les photocopies des quatre fiches de travail : découvrir la cisaille guillotine, découvrir la fraiseuse, découvrir la perceuse à colonne et découvrir la thermoplieuse. Des informations concernant chaque machine (nomenclature, fonctionnement, utilisation, consignes de sécurité) : dossier_cisaille_guillotine, dossier_fraiseuse (dossier_pdf et fichier_usinage), dossier_perceuse et dossier_thermoplieuse.

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.

Séquence 4 : réalisation des maquettes des robots explorateurs

Résumé

Au cours de cette séquence, les élèves réalisent par groupe la fabrication des robots explorateurs. Durée: entre 4 et 6 heures selon les difficultés rencontrées.

Objectif

Extraire d’un dessin, d’un plan, d’un schéma, d’un éclaté ou d’une nomenclature les informations utiles pour la fabrication ou l’assemblage d’un objet technique. Utiliser rationnellement matériels et outillages dans le respect des règles de sécurité. Réaliser un assemblage ou tout ou partie d’un objet technique.

Matériel

Plaques de PVC rigide de 2 mm d’épaisseur et de PVC expansé de 3 mm d’épaisseur, moteurs avec moto-réducteurs préalablement assemblés, vis et écrous, roues, axes, supports de piles (piles LR03), interrupteurs, fils électriques.
Dossier technique de chaque robot :

U-Run:

U-Crab:

modèle 3D
nomenclature et plans
fichier d'usinage avec Charly robot : fichier flanc et fichier pattes

U-Bridge:

U-Car :

Réglets, tournevis.

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.

Séquence 5 : quel est le robot le plus adapté au sol martien ?

Résumé	:	Lors de cette séquence, les groupes testent leurs maquettes sur une reconstitution du sol martien. Durée: 2 à 3 heures.
Objectif	:	Reconstituer la surface martienne. Tester les quatre robots et évaluer leur capacité à s’y déplacer.
Matériel	:	Un aquarium. De l’argile. Des morceaux de basalte et/ou d’andésite. Les quatre maquettes des robots.

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 :

	U-car	U-run	U-crab	U-bridge
Critère 1
Critère 2
...
Classement

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.