Jean-Michel Rolando, l’Astronomie à l’école, construire des compétences et des savoirs au cycle 3, Delagrave, février 2003
Une piste balisée pour enseigner l’astronomie au cycle 3
Durée du jour et de la nuit
C.E.2Le Soleil, lever, coucher, trajectoire apparente
Objectifs de connaissance :
Solstice d’été (la durée des jours est supérieure à la durée des nuits)
Equinoxe d’automne Equinoxe de printemps
Solstice d’hiver (la durée des nuits est supérieure à la durée des jours)
Il s’agit de relever la trajectoire apparente du Soleil et d’étudier son évolution au fil de l’année. Une observation scientifique est toujours problématisée.
les jours diminuent les jours augmentent
Lexique : équinoxe, solstice.
Questionnement à instaurer dès septembre :
Préalable : pourquoi l’homme s’est mis à regarder le ciel ? puis
- Le Soleil se lève-t-il et se couche-t-il toujours au même endroit ? à la même heure ? - Comment détermine-t-on la date de début d’automne ?
- Où est le soleil à midi ?
- Comment détermine-t-on la date de début de l’hiver ?
- Dans le courant de l’hiver, les journées gardent-elles toujours la même durée ?
- A quelle période augmentent-elles ? A quelle période diminuent-elles ?
Les désaccords exprimés constituent des enjeux, et contribuent à la dynamique de la classe.
Les conceptions initiales :
- Les élèves savent qu’en été les jours sont plus longs et en hiver les jours sont plus courts.
- Evolution fausse : ils pensent que les jours augmentent en été.
- Ils pensent que le Soleil se lève et se couche toujours au même endroit. Est / Ouest
Activités à mener en automne :
- On mène des observations, d’un poste fixe. Le repérage se fait sur l’horizon. Autour des équinoxes, l’écart d’un jour à l’autre est visible. Autour des solstices : tous les 3 / 4 jours.
- Dessins, photos
- Faire pointer le Soleil avec le bras.
Conclusion :
Le Soleil ne se lève pas et ne se couche pas toujours au même endroit et à la même heure.
Le lieu du lever se décale vers la droite, et le lieu du coucher se décale vers la gauche. Il se lève de plus en plus tars et se couche de plus en plus tôt.
Puis ... Aujourd’hui c’est l’automne, savez-vous pourquoi ?
Lexique : trajectoire, est, sud, ouest, nord.
Représentations des élèves : elles sont d’ordre météorologique ou biologique. Recherche documentaire par les élèves ...
« Au début de l’automne, la durée de la journée est égale à la durée de la nuit : 12 heures. » On vérifie en vrai... or l’horizon n’est pas dégagé à 100% ... utilisation du calendrier de la poste.
Puis ... Les journées ont-elles toutes la même durée ?
Une idée pour mettre en évidence le caractère cyclique : le représenter sous forme circulaire...
Il s’agit ensuite de mettre en relation l’évolution de la durée des jours avec l’évolution de la trajectoire du Soleil.
Puis ... la course du Soleil et sa position à midi (observer vers 13h30).
On donne aux élèves un profil de l’horizon reproduit sur une feuille photocopiée, ils positionnent le lieu du lever, le lieu du coucher, puis dessinent la trajectoire :
Une trajectoire en octobre, puis une en novembre, puis une en décembre. La trajectoire est de plus en plus basse dans le ciel. Il semblerait que le Soleil finissent par ne plus se lever.
On compare les différents relevés pour mettre en lien la course du Soleil et la durée du jour.
Lexique : trajectoire.
Lexique : jour, journée, nuit, saison.
A la fin de l’année :
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L’alternance des jours et des nuits
A partir du C.M. 1 (pas avant 10 ans)La rotation de la Terre sur elle-même
Les objectifs :
- L’alternance jour / nuit s’explique par la rotation de la Terre.
- Comprendre ce qu’est une hypothèse (le statut de solution possible).
- Cause / conséquence
- Structuration de l’espace car l’E doit mettre en relation : o son espace personnel
o l’espace géocentrique dans lesquels les phénomènes sont observés o l’espace héliocentrique dans lesquels les phénomènes sont expliqués.
Questionnement à instaurer :
1) Comment peut-on expliquer la succession des journées et des nuits ? 2) Dans quel sens la Terre tourne-t-elle ?
3) Quelle heure est-il dans tel ou tel pays quand il est midi chez nous ?
1) Comment peut-on expliquer la succession des journées et des nuits ? Les conceptions des élèves :
Scanner images
Explications proposées par les élèves : elles sont notées au tableau sans rien laisser transparaître.
La Terre tourne sur elle-même et autour du Soleil Le Soleil tourne autour de la Terre.
La Terre tourne autour du Soleil.
A noter : le savoir scientifique fait parfois obstacle au raisonnement.
Confrontations : engager une confrontation entre les élèves ... et non entre quelques élèves et l’enseignant.
La modélisation pour tester l’hypothèse :
Un outil pour guider la réflexion : préparer la modélisation.
Puis ce qu’il peut se produire sur notre modèle
Puis, synthèse : ces 4 hypothèses peuvent être validées.
- La Terre tourne sur elle-même et autour du Soleil.
- Le Soleil tourne autour de la Terre.
- La Terre tourne autour du Soleil.
- La Terre tourne sur elle-même sans tourner autour du Soleil.
Bilan :
- Les difficultés rencontrées furent aussi celles rencontrées par les savants du passé.
- Un modèle n’est pas la réalité mais permet d’y réfléchir.
On donne aux élèves un document dont la lecture leur permet de conclure ou on leur donne la réponse.
Dans quel sens tourne la Terre ?
Lexique : modèle héliocentrique, géocentrique, Copernic, Galilée.
Lexique : rotation, durée de rotation, axe de rotation.
L'objectif n'est pas de le mémoriser, il sera vite oublié si les outils cognitifs pour le retrouver ne sont pas construits, mais précisément d'élaborer le raisonnement qui permet de le déterminer. Il est globalement le suivant : lorsqu'on est face au sud, le Soleil se déplace de notre gauche vers notre droite en passant face à nous (gauche / devant / droite)
Idem :
Notre modèle Ce qu’il représente Ce qu’il doit faire
Un élève Le Soleil Rester immobile
Un autre élève ou une ronde La Terre Tourner autour d’elle-même
Ce qu’il peut se passer pour chaque élève qui fait la Terre
Ce que cela représente dans la réalité
Il peut voir l’élève Soleil. Il fait jour.
Il ne peut pas voir l’élève Soleil. Il fait nuit.
L’élève Soleil est en train d’apparaître. Le Soleil est en train de se lever.
L’élève Soleil est en train de disparaître. Le Soleil est en train de se coucher.
Puis ils essayent d’anticiper dans un sens en fonction des observations menées, échangent, argumentent, essaient…
Lexique : sens de rotation.
Schématisation : difficultés pour représenter en 2D le 3D. On choisit et reproduit quelques schémas caractéristiques.
Petit complément scientifique :
- On sait depuis très longtemps que la terre est ronde ... depuis de nombreux siècles avant J.C. (C’est grâce aux mats des bateaux qui disparaissent à l’horizon.) Mais cette connaissance était détenue par des ecclésiastiques, et par les philosophes. Ce n’était pas une connaissance populaire.
- Erastosthène a calculé le rayon de la Terre en 284 avant J-C.
Les saisons
Objectifs : élaborer un modèle permettant d’expliquer les caractéristiques des saisons.
C'est-à-dire :
- expliquer la durée de la journée - la hauteur du Soleil dans le ciel - des températures moyennes
Questionnement à instaurer :
- Comment expliquer que les journées sont plus courtes que les nuits ?
- Comment peut-on expliquer qu’en ce moment (en hiver !) les températures sont les plus basses de l’année ?
Les conceptions des élèves :
1) Plus près plus chaud et non plus chaud 2) Elle tourne moins vite
3) Les nuages
Donc travail à mener : prise de conscience de l’inadéquation de sa conception, construction d’une alternative, travail de réflexion sur le raisonnement implicite.
Remarque : cercle ou ellipse ? A l’école élémentaire ET au collège : c’est un cercle car en réalité, le rapport b/a=1
Hypothèses retenues après débat : les 2 premières.
H1 : plus près
H2 : elle tourne moins vite
Pour démonter l’H1 : les températures aux 4 coins du monde.
Puis traitement de l’info, et on conclut :
Quand il fait chaud dans l’hémisphère Sud, il fait froid dans l’hémisphère Nord : les saisons sont inversées dans les deux hémisphères. Donc ce n’est pas possible que la Terre se rapproche du Soleil car ce serait l’été partout en même temps.
Pour démonter l’H2 : heures du lever et du coucher dans la ville du Cap (Afrique du Sud) ou
ou
Lexique : saisons, équinoxe solstice, points cardinaux
Synthèse : on abandonne les hypothèses H1et H2 et l’enseignant fournit une autre information : Distance Terre-Soleil = 150 000 000 km
La Terre tourne sur elle-même avec une rotation régulière : 1 tour en 24 heures.
La révolution de la Terre autour du Soleil
Puis l’enseignant annonce aux élèves le 1er problème à résoudre :
Problème : Comment expliquer qu’en hiver, les journées sont pus courtes que les nuits ? Modélisation : l’enseignant va d’abord guider la classe rassemblée.
Les élèves vont faires des hypothèses.
Après ils doivent chercher comment positionner l’axe pour expliquer l’inégalité des journées et des nuits.
→ Les élèves savent maintenant que c’est en jouant sur l’inclinaison de l’axe qu’ils trouveront la solution...
dans quel sens…
Bilan : en hiver, le pôle Sud est un peu penché vers le Soleil.
Et en été ? Les élèves penchent l’axe dans l’autre sens. Pour l’instant, ce n’est pas grave.
Evaluation : plus fin que les évaluations écrites, les entretiens individuels pourraient être davantage pratiqués à l’école.
L’évaluer en individuel, avec spot, boule polystyrène.
Bilan : L’inégalité jour/nuit est expliquée.
lampe (1)
(2) puis
→ Que se passerait-il si ce positionnement ?
→ Que se passerait-il si ce positionnement ? lampe
Puis 2ème problème
Problème : Comment expliquer la différence de température entre l’été et l’hiver ?
Rappel des observations menées précédemment et propose la position du Soleil ne pourrait-elle pas expliquer pourquoi il fait chaud en été et froid en hiver ?
Expérience pour prouver que la hauteur du Soleil a une influence sur la température.
Matériel : thermomètre, 1 spot, 1 pied pour le fixer.
Consigne : « imaginez une expérience qui aiderait à prouver que la position du Soleil influence la température. »
Température(1) > Température(2) et d1 = d2. Pourquoi ? Les élèves disent : « le Soleil tape plus droit, en été il pointe vers nous… »
Mise en commun : les élèves restent sur leurs représentations : Plus près = plus chaud.
→ On peut leur proposer de mettre la main sous la lampe torche.
Synthèse : on peut expliquer une différence de température même si la distance à la source est la même.
Causes Conséquences
se rapprocher
se placer face au feu (≠ en biais) → donc j’ai plus chaud
Puis la même expérience avec thermomètre scotché, l’ensemble éclairé par un spot
…
d1 d2
(1) (2)
Lampe à la verticale au dessus de la main
Lampe un peu inclinée
Lexique : inclinaison,
Bilan : l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre explique aussi les différences de températures entre les saisons. Le même modèle est pertinent pour expliquer des séries de phénomènes.
Activités structurantes qui aident à établir des liens conceptuels. La construction de savoirs généraux au domaine de validité élargi soulage la mémoire.
→ On évite les savoirs juxtaposés = 1 savoir unique cohérent et structuré va agir comme un ciment intellectuel.
