Défi "Tour en Papier" de Delphine Schumacher

[Laurent Dubois]

Delphine Schumacher - Université de Genève, 2012 - FAPSE, didactique des sciences
Défi techno, travail en groupe
Dès 8-10 ans

La séquence en PDF

Caractéristique du défi :

• Un espace ouvert pour questionner, tâtonner, explorer, dans un cadre exigeant (cahier des charges, temps imparti, justification de ses démarches)

• diverses solutions possibles

Objectifs de l’activité :

• développer des démarches d’investigation : développer un questionnement en groupe, la capacité à problématiser une situation, à élaborer des hypothèses, à imaginer des solutions, à mettre en œuvre des stratégies, à réguler ses actions en fonction des observations, à anticiper les résultats, etc.

• stimuler l’esprit de recherche et l’imagination créatrice

Matériel :

• papier journal (double feuille format GHI)
• scotch de peintre
• un mètre
• un sèche-cheveux (simulation « ouragan »)
• des livres (« panneaux solaires »)

Mise en situation :

« Nous sommes en 2022. De plus en plus de catastrophes naturelles surviennent sur notre planète terre : tremblement de terre, ouragan, avalanche, tsunami, etc. Il devient urgent de commencer à construire des bâtiments capables de supporter diverses catastrophes naturelles pouvant advenir à tout moment.
Vous êtes des ingénieurs venant des 4 coins du monde et venez participer aujourd’hui à un symposium international très important : nous devons aujourd’hui réfléchir ensemble pour concevoir un modèle de tour très résistante, à moindre coût, et intégrant les normes écologiques usuelles ».

Cahier des charges de l’ingénieur :

« Chaque équipe de recherche doit construire une maquette en papier de 1 mètre de haut. Vous n’aurez à disposition que du papier journal (5 doubles feuilles au départ), quelques bouts de scotch (2 bandes de 50 cm au départ). Vous n’avez pas le droit d’utiliser le scotch pour fixer votre construction sur la table (car elle doit pouvoir s’adapter à n’importe quel sol), et devra supporter le poids de panneaux solaires (livre) que vous devrez installer au sommet de la manière que vous voulez sans utiliser de scotch. Important : vous avez la possibilité de venir rechercher du matériel supplémentaire à tout moment (des frais de construction seront déduits).
Vous avez une heure pour imaginer et réaliser votre tour, en sachant que des moments de mises en commun en font partie. A la fin, votre tour sera soumise à un exercice de simulation, et vous devrez vendre votre projet devant le comité. Les idées les plus efficaces et les mieux défendues lors de ce symposium serviront de base à la création d’un futur modèle ».

Avertissement :
Il n’y a pas qu’une seule solution possible : toutes les pistes de solutions utilisant le matériel donné et respectant le cahier des charges sont bienvenues !

Critères d’évaluation des résultats:

1. Quantité de papier journal en supplément (nbr de feuilles)
2. Quantité de scotch en supplément (nbr de bandes de 50 cm)
3. Hauteur de la maquette (cm)
4. Panneaux solaires tiennent au sommet (oui/non)
5. Tests de solidité :
   a. Tient debout tout seul (oui/non)
   b. Résiste au test « tremblement de terre » (oui/non)
   c. Résiste au test « ouragan force 1 » (oui/non)
   d. Résiste au test « ouragan force 2 » (oui/non)
6. Ingéniosité (la solution répond efficacement à un maximum de critères donnés ; on peut juger de l’efficacité de la solution même si elle n’a pu être réalisée jusqu’au bout, par ex. par manque de temps) (bonus)
7. Originalité (Par ex., une piste de solution originale mais difficilement réalisable, ou particulièrement esthétique bien que peu efficace) (bonus)

Avertissement :
Le but n’est pas de définir un gagnant ! L’intérêt de cette étape est d’évaluer/valoriser les idées et les cheminements de chaque groupe

Déroulement de l’activité (env. 1h30) :

0. Définir les groupes (de 5-6 pers.) et noter les noms au tableau
1. En plénière : mise en situation de défi et cahier des charges (5 min)
2. En groupe : temps de réflexion, concertation, pose du problème, premières pistes par écrits/dessins sans matériel (10 min)
3. En plénière : noter au tableau les problèmes identifiés / pistes à investir (10 min)
4. En groupe : lancement des constructions avec matériel. Tenir les comptes au tableau pour le matériel supplémentaire demandé (15 min)
5. En plénière : noter au tableau les problèmes rencontrés / pistes investies (10 min)
6. En groupe : suite et fin des constructions (20 min). Annoncer régulièrement le temps qu’il reste.
7. En plénière : tests des maquettes (résultats à noter au tableau selon les critères d’évaluation) ; puis chaque groupe « vend son projet » devant les autres (autant les pistes de solutions choisies que les démarches entreprises) (20 min).
Rôle de l’enseignant :

En cours d’activité (n°4, n°6) :
Accompagner chaque groupe dans ses démarches en posant des questions plutôt qu’en amenant des solutions, du type : qu’est-ce qui est important à votre avis ? Qu’est-ce qui pose problème ? Comment il faudrait faire pour… ? Quelle est votre idée ? Qu’est-ce que vous êtes en train de faire, expliquez-moi ? Pourquoi vous avez abandonné l’autre idée ? Comment vous pensez faire ensuite ? Etc.)

Pendant les plénières (n°3, n°5) :
Encourager à poursuivre avec davantage de métaréflexion au sein des groupes : Comment vous fonctionnez dans votre groupe (dynamique, partage des tâches, co-constructions des idées) ? Quel temps vous consacrez pour réfléchir, organiser et quel temps pour construire, essayer ? Etc.

En fin d’activité (n°7) :
Pendant ou après la mise en commun des résultats, mener chaque groupe à expliciter et à justifier ses choix, ses idées, ses démarches, ses stratégies, en posant des questions du type : Comment vous en êtes arrivés là ? Quel chemin depuis la première idée jusqu’au résultat ? Qu’est-ce qui vous a permis de …? Pourquoi vous avez choisi de… ? Quels éléments vous avez pris en compte, lesquels vous avez mis de côté ? Pensez-vous que vous avez suivi une bonne piste ? Pourquoi ? Quelles améliorations possibles ? Que feriez-vous différemment ? Etc.

Dans ce cadre, une réflexion peut être engagée autour de la question de l'"optimum" en science : gérer la complexité dans la résolution d'un problème, c’est devoir prendre en compte plusieurs paramètres à la fois pour trouver une solution non pas parfaite mais optimum ("qui répond au mieux" à toutes les exigences), c’est sortir du paradigme binaire "soit l’un soit l’autre" ou "juste ou faux", en accueillant plusieurs solutions possibles.
Par exemple, trop investir dans une variable au détriment des autres (par ex. vouloir à tout prix économiser du papier ou obtenir exactement 1 mètre) peut fortement entraver la résolution du problème.

Prolongement de l’activité :

Réaliser à nouveau le même défi (« modèle final »), à partir des meilleures idées et améliorations possibles envisagées en s’inspirant de notions scientifiques/technologiques telles que :

•  Les structures de constructions (tours (par ex. Eiffel), ponts, échafaudage, grue, pylône, structure en tubes croisés, etc.)

•   Le papier (carton, cellulose ; comme un matériau de construction résistant : carton de déménagement, nid d’abeille, ex. de meubles et constructions à base de cellulose, etc.)