Le protocole expérimental a été mis en place au sein d’une séquence d’enseignement sur l’énergie (détaillée en annexe 1) élaborée par les chercheurs et des enseignants de l’école primaire pour les besoins de la thèse. Plus précisément, cette séquence a été élaborée dans le cadre d’un groupe de production de ressources sur les démarches d’investigation dans lequel étaient associés des chercheurs, des formateurs et des enseignants. Elle a été conçue dans une perspective d’éducation à l’énergie pour une classe de CM1 à partir des programmes du cycle 3 de 2008 (MEN, 2008). Une première prise de contact avec des enseignants a rapidement montré que selon eux la plupart des élèves de l’école primaire n’avait pas suivi d’enseignement sur l’énergie en CE2.
Certaines notions associées au programme de CE2 ont donc été intégrées à la séquence (notamment dans les premières séances). Les enseignants qui ont participé à l’expérimentation ont également apporté des modifications à la séquence au fur et à mesure de sa mise en place en fonction de leurs habitudes de travail.
La séquence est constituée de 12 séances sur l’énergie (tableau 5).
Séance Intitulé
Séance 1 Qu'est-ce qui utilise de l’énergie ?
Séance 2 Est-ce qu’une plante utilise de l’énergie ?
Séance 3 Comment identifier les sources d'énergie ? Modèle de la chaîne énergétique Séance 4 Comment fabriquer de l’électricité ? Hypothèses et protocole
Séance 5 Comment fabriquer de l’électricité ? Investigation Séance 6 Comment fabriquer de l’électricité ? Les différentes centrales Séance 7 Chaînes énergétiques et ressources énergétiques naturelles Séance 8 Ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables 1 Séance 9 Ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables 2 Séance 10 Ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables 3 Séance 11 Comment gérer les besoins énergétiques d’un village ? Première partie Séance 12 Comment gérer les besoins énergétiques d’un village ? Deuxième partie TABLEAU 5 : Intitulé des douze séances de la séquence d’enseignement sur l’énergie
Dans la séance 1, les élèves doivent lister les objets qui utilisent de l’énergie à l’école, ainsi que sur le chemin entre leur domicile et l’école. Les élèves doivent ensuite, par groupe de quatre, donner les sources d’énergies de ces objets et les regrouper. L’objectif était que les élèves arrivent à une classification des objets composée de trois groupes, les objets qui chauffent, les objets qui éclairent, les objets qui bougent ou se déplacent. L’enjeu de la séance était que les élèves relient les besoins en énergie à ces trois transferts d’énergie (chaleur, mouvement, lumière).
La séance 2 correspond à une séance d’investigation ayant pour but d’aider les élèves à dépasser la conception selon laquelle seuls les objets qui présentent un transfert perceptible utilisent de l’énergie. Pour cela la séance comprenait une situation de départ, une formulation d’hypothèse, puis une démarche d’observation basée sur des activités sportives. Les élèves doivent produire un effort en étant mobile (flexion) puis produire un effort en étant immobile (position de chaise contre un mur) et enfin, ne plus produire d’effort (repos). À partir de l’observation d'indicateurs provenant de leur corps (respiration, battement du cœur...), ils devaient ensuite déterminer que même sans
mouvement leur corps consomment de l’énergie. La séance se terminait par une étape de généralisation à d’autres êtres vivants (cheval, plante) et objets (voiture, télévision...).
La séance 3 correspond à l’introduction « progressive » du modèle de la chaîne énergétique.
Dans cette séance, les élèves devaient réaliser des chaînes énergétiques progressivement (tâche 1 : objet de départ et source d’énergie, tâche 2 : objet de départ, source d’énergie et transformateur, tâche 3 : objet de départ, source d’énergie, transformateur et ressource naturelle). Ils devaient réaliser ces chaînes sur des documents comportant des images sur lesquelles étaient représentés les différents éléments des chaînes énergétiques. Cette séance correspond à la première séance dans laquelle la variable indépendante a été opérationnalisée et elle est décrite plus en détails dans la partie précédente.
Les séances 4, 5 et 6 correspondent à une démarche d’investigation sur la fabrication d’électricité.
Dans la séance 4, les élèves doivent d’abord individuellement, puis en groupe proposer une solution à « comment fabriquer de l’électricité ? ». Dans la suite de la séance, les élèves doivent proposer un protocole et une liste de matériel afin de tester leur solution la séance suivante.
Dans la séance 5, les élèves doivent mettre en œuvre la solution proposée précédemment, à partir du matériel qu’ils avaient apporté. Ce matériel peut être complété par du matériel mis à disposition par l’enseignant (éolienne et panneau solaire). L'enseignant a pu réaliser des montages permettant de produire de l’électricité à partir du matériel (éolienne, panneau solaire...). Les élèves ont ensuite comparé les solutions qu’ils avaient proposées avec « les montages qui fonctionnent », afin de déterminer les éléments indispensables à la fabrication d’électricité.
La séance 6 correspond à la partie institutionnalisation de cette démarche d’investigation. Dans cette séance, les élèves doivent, à partir d’une étude de document présentant les différentes centrales électriques, dégager les éléments communs et différents des différentes centrales.
La séance 7 correspond à la réalisation par les élèves de chaînes énergétiques complètes.
Comme dans la séance 3, les élèves devaient dessiner une chaîne énergétique complète (objet qui chauffe, éclaire, bouge ou se déplace => source d’énergie => transformateur => ressource naturelle) sur un document comportant les images de plusieurs systèmes. Les images présentées dans cette séance sont les mêmes que dans la séance 3, mais comprennent en plus des systèmes faisant intervenir la production d’électricité. Cette séance correspond à la deuxième séance dans laquelle la variable indépendante a été opérationnalisée. Elle est présentée plus en détail dans la partie précédente. À l’issue de la tâche de réalisation des chaînes énergétiques, les élèves doivent lister les ressources naturelles identifiées et émettre des hypothèses sur leur renouvelabilité.
Dans la séance 8, les élèves doivent dégager des définitions liées à la renouvelabilité à partir d’une étude de documents (textes + photos). Les affiches que les élèves doivent étudier représentent 7 ressources énergétiques naturelles (uranium, charbon, gaz naturel, pétrole, vent, soleil, et eau) sous forme de textes et de photos. À partir de l’étude de ces documents, les élèves doivent regrouper les ressources renouvelables et les ressources non renouvelables, puis dégager une définition de ce que sont une ressource renouvelable et une ressource non renouvelable.
Les séances 9 et 10 correspondent à des séances constituées de jeux construits autour de la notion de renouvelabilité.
La séance 9 est construite autour d’un jeu de format « jeu de plateau », dans lequel l’objectif était de préparer un stock de vingt bûches de bois pour l’hiver. La notion de renouvelabilité est incorporée au jeu à travers la gestion de la forêt dont les bûches sont issues. À partir de ce jeu les élèves doivent construire l’idée que la notion de renouvelabililité dépend de la durée de formation des ressources naturelles, mais également de son taux d’utilisation.
La séance 10 a pour objectif de faire comprendre aux élèves le fonctionnement des centrales qui utilisent des ressources renouvelables (intermittence de la production, faible rendement instantané, pas d’épuisement des ressources) et de celles qui utilisent des ressources non renouvelables (fort rendement instantané, épuisement des ressources). Elle est constituée de deux jeux de plein air, de format « jeu du loup ». Dans les deux jeux, les élèves sont séparés en deux équipes. Dans le premier jeu, une équipe représente les centrales qui utilisent des ressources renouvelables et la deuxième celles qui utilisent des ressources non renouvelables. Dans le deuxième jeu, la première équipe représente une éolienne et la deuxième un panneau solaire. Les élèves dans ces jeux doivent s’attraper les uns les autres selon un système de règles représentant les contraintes des différentes centrales. L’objectif du premier jeu est de faire travailler les élèves sur l’épuisement des ressources non renouvelables et l’intérêt des ressources renouvelables, ainsi que d’avoir une première approche de l’idée de rendement. Le second jeu vise à ce que les élèves travaillent sur l’intermittence du fonctionnement des centrales qui utilisent des ressources renouvelables (vent et soleil).
Les séances 11 et 12 correspondent à des séances où les élèves préparent et jouent un débat en classe qui vise à synthétiser l’ensemble des connaissances abordées dans les séances précédentes.
Les élèves sont mis en situation de gestion des besoins énergétiques d’un village et doivent réaliser un certain nombre de choix. Les élèves travaillent par groupe de trois ou quatre pour gérer un village. Chaque élève s’est vu attribuer un rôle dans cette gestion. Un élève est en charge du coût des installations, un deuxième de l’impact environnemental des installations, un troisième doit veiller à ce que le maximum d’installation utilise des ressources renouvelables et enfin le dernier doivent s’assurer que tous les habitants du village puissent se chauffer, s’éclairer et se déplacer.
La séance 11 correspond à la préparation de ce débat par groupe de trois ou quatre et la séance 12 correspond à la présentation en classe des installations du village, suivie d’une discussion avec les élèves des autres groupes sur le remplissage des différents critères attendus.
La partie suivante présente le recueil des différentes données qui s'est déroulé avant, pendant et après cette séquence sur l'énergie.