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Publié : 9 décembre 2010
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De l’eau sale à l’eau claire... Compte-rendu d’un travail au cycle 3

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Le précédent article a relaté un travail réalisé en cycle 2. Celui-ci présente des activités menées sur le même thème avec une classe de cycle 3 (CE2-CM1-CM2). Les objectifs sont les mêmes : connaître le procédé de filtration et savoir qu’il ne conduit pas à de l’eau pure et potable. Ce travail n’est que la première partie d’un projet plus vaste qui concerne la qualité de l’eau et les risques de pollution des rivières et des nappes phréatiques. Le compte-rendu en est fait plus loin. Nous avons estimé intéressant, dans ce dossier, de présenter ce travail en deux articles pouvant être lus indépendamment l’un de l’autre. Cela permet également de comparer les cycles 2 et 3, du point de vue des démarches menées et des résultats obtenus. Le déroulement suit la même logique qu’en cycle 2 : poser le problème aux élèves, les laisser imaginer leur solution, expérimenter, critiquer et améliorer.

PROPOSITION DU PROBLÈME ET RECHERCHE D’UNE METHODE PAR LES ÉLÈVES

La maîtresse présente un pot rempli d’eau boueuse et pose le problème aux élèves : est-il possible de la rendre propre et limpide [1] ?

Réflexion individuelle

Les élèves doivent réfléchir à une (ou plusieurs) méthode(s), puis la (les) rédiger. Les idées qui se dégagent sont les suivantes.
Traiter l’eau dans une usine.
Verser l’eau à travers une passoire.
Enlever les saletés à la main ou à l’aide d’un ustensile. -Mettre de la neige dedans.
Passer à travers un filtre à café (ou un tissu, ou encore un filtre pour aquarium). Certains proposent de filtrer plusieurs fois.
Mettre un savon dans l’eau, mélanger, puis filtrer à l’aide d’un filtre à café.
Absorber délicatement l’eau à l’aide d’un chiffon ou d’une éponge puis le (la) presser au dessus d’un bocal.
Mettre l’eau au soleil pour faire sécher la terre. Au-delà de cet inventaire, donnons quelques précisions.

En premier lieu les propositions sont nettement plus diversifiées qu’au cycle 2 (ce qui est bien normal !).

De nombreux élèves articulent plusieurs étapes.(voir l’exemple 1, voir l’exemple 2) Certains le font en précisant explicitement leurs raisons. Quelques propositions paraissent "farfelues"... Il faut pourtant y regarder de plus près. Les arguments de Valentine (mettre de la neige) sont dus à des connaissances préalables tout à fait pertinentes : l’eau de fonte est propre. Mais évidemment, ce n’est pas en rajoutant de la neige propre qu’on pourra nettoyer l’eau sale... |
Réflexion par groupes puis débat en classe entière

Réunis par petits groupes, les élèves échangent et essayent de mettre au point ce qui sera l’expérience de leur groupe. Un débat général est ensuite organisé qui conduit certains groupes à modifier ou à aménager leur méthode. Deux enseignements sont à retenir de ces moments d’échange. Les élèves comprennent déjà assez majoritairement que la qualité du résultat va dépendre de la grosseur des trous du filtre. Cela conduit certains à douter de leur proposition. Ensuite, si l’eau n’est pas propre il faut réessayer précise un élève. Je ne pense pas que l’eau sera complètement propre déclare un autre. Les échanges successifs aboutissent à une limitation des méthodes. Ceux-là même qui avaient formulé des idées peu réalistes les abandonnent d’eux-mêmes lorsqu’ils prennent connaissance de celles des autres. Bilan des méthodes imaginéesMajoritairement, c’est la filtration qui est retenue. Elle est proposée en plusieurs étapes, d’abord grossière (passoires) puis de plus en plus fine (filtre à café). Quelques élèves de CE2 restent à l’idée des passoires et des passettes

(voir Jérémy, Julien, Yoann). La méthode de l’éponge demeure... ( Voir l’exemple).

Plusieurs propositions se terminent par une stérilisation : faire bouillir pour tuer les microbes (voir un exemple). C’est en réagissant à l’idée de congélation (voir le paragraphe suivant) que les élèves ont pensé à la stérilisation qui "tue les microbes". Mais est-ce qu’en faisant bouillir l’eau on enlevera les débris ? Est-ce que l’eau, troublée par la présence de terre, deviendra claire ? Les élèves se rendent bien compte que non. Il faut d’abord filtrer, puis ensuite stériliser.

Restent deux idées que nous discutons dans les paragraphes qui suivent : congeler et distiller... Peut-on rendre l’eau pure en la congelant ? En principe, oui... En pratique, c’est autre chose... En se solidifiant, une substance laisse les impuretés dans la partie liquide. Il suffit donc, en principe, de récupérer les glaçons lorsqu’ils se forment (c’est ce qui pose problème car ils ne se forment pas en entités individuelles indépendamment les uns des autres) et de les faire fondre dans un autre récipient. C’est ce que les physiciens appellent "congélation fractionnée". C’est Valentine qui, tenant à son idée (mettre de la neige), s’est aperçue lors du débat que la neige, toute propre qu’elle soit, allait fondre dans un récipient contenant des saletés... Elle a alors proposé de congeler l’eau sale puis de la faire fondre. La distillationUne autre proposition est illustrée par ce schéma. Il s’agit, dans le principe, d’une distillation qui constitue effectivement une méthode efficace. Mais l’idée ne vient pas des élèves. Entre le moment où le problème est posé, et celui où les échanges ont lieu, les enfants ont pu interroger leurs parents. Attentionnés, ces derniers ont fait de leur mieux pour aider leur progéniture...
RÉALISATION DES EXPÉRIENCES

La congélation

L’expérience est mise en place dans le congélateur personnel du directeur qui habite sur place. Le résultat est observé quelques jours après. La quasi-totalité des saletés s’est déposée au fond. Les débris végétaux qui flottent sont en surface. La partie intermédiaire est relativement claire. Mais comment faire pour la récupérer ? On essaye d’enlever les débris qui flottent à l’aide de cuillères, puis on transvase délicatement la partie claire dans un verre propre. Le résultat n’est pas mauvais, mais les manipulations successives ont tout de même brassé l’intérieur du récipient. On retient que la méthode est difficile à mettre en pratique.
La distillation

Cette proposition n’est pas expérimentée. La maîtresse explique que l’idée est intéressante. Mais telle qu’elle est proposée, l’expérience est dangereuse. Non seulement il faut chauffer, mais en outre la présence du sac plastique augmente le risque. La distillation figure au programme du collège où elle sera réalisée avec du matériel adapté. L’idée est toutefois gardée en mémoire. Une distillation qui utilise l’énergie solaire est envisageable. Elle sera proposée au printemps lorsque les conditions seront moins rigoureuses [2]...
Les filtrations

Les expériences de filtration sont réalisées par les élèves qui participent à la préparation matériel en empruntant à leurs parents passoires, écumoires, filtres à café, etc. Les essais à travers les passoires les écumoires ou les passettes s’avèrent immédiatement insuffisants. À l’inverse des élèves de cycle 2, ceux du cycle 3 n’insistent pas et se tournent immédiatement vers la filtration. Différentes variantes sont essayées et, au moment de la conclusion, la classe se retrouve devant un problème intéressant. Un nouveau problème : comment améliorer la filtration ?Vaut-il mieux mettre plusieurs filtres l’un dans l’autre ou opérer plusieurs filtrations successives à travers un filtre neuf à chaque fois ? Les hypothèsesToute la classe accepte a priori l’efficacité de la première idée : mettre plusieurs filtres l’un dans l’autre. On essayera quand même. En revanche, les avis sont partagés sur la deuxième méthode. •Une majorité pense que ce sera également efficace. •Une minorité n’est pas du même avis. Son argument : il y a de petits trous minuscules (invisibles) dans le filtre. Si des saletés passent dans les petits trous d’un filtre, elles passeront aussi dans les petits trous d’un autre filtre (si c’est le même modèle). Au contraire, si les filtres sont superposés, les petits trous ne tomberont jamais exactement les uns en face des autres. Avant d’expérimenter, la maîtresse demande à deux élèves ayant des points de vue opposés de rédiger leur avis sur une feuille.Voir l’élève1/ Voir l’élève 2

L’expérimentation

Elle donne raison aux tenants de la deuxième hypothèse. Filtrer plusieurs fois de suite ne sert à rien... Voir le compte-rendu ci-dessous.

La discussion

Qu’il y ait des trous dans le filtre surprend bon nombre d’élèves. Pourtant cette hypothèse permet d’expliquer les résultats de l’expérience précédente. Dans un précédent numéro de "MANIP", Jocelyne Nomblot faisait remarquer que certains élèves de CE1 n’admettaient pas que de l’eau puisse pénétrer dans une plante par les racines [3]. C’est en imaginant l’existence de petits trous microscopiques que la situation s’était débloquée. Ici, c’est un peu l’inverse. Les élèves pensent que les matières souples qui se déchirent comme le papier laissent passer l’eau. Les matières dures, rigides, comme le bois, sont par nature imperméables. Le cycle 3 est l’occasion de mettre tout cela en cohérence. Dès qu’une substance est imperméable, c’est qu’elle comporte des trous, parfois invisibles même au microscope, qui laissent pourtant passer l’eau. Cette démarche de pensée est très proche des véritables démarches des scientifiques en ce sens qu’elle permet d’imaginer des propriétés invisibles par la seule cohérence de ses conséquences. La conclusionElle est importante à tirer, ne serait-ce que pour des raisons d’éducation à la santé : la filtration permet de rendre l’eau plus claire ; mais aucune des expériences réalisées en classe n’a permis d’aboutir à un résultat parfait.
RÉDACTION D’UN COMPTE-RENDU

Un premier temps collectif permet d’expliciter ce que le compte-rendu devra comporter : un titre-question ; un sous-titre pour préciser que c’est la méthode retenue par la classe (avec l’aval de la maîtresse) ; un schéma accompagné des explications nécessaires pour qu’il soit compréhensible ; les observations faites ; la conclusion nuancée car il faut bien que les élèves retiennent que la filtration ne permet pas d’obtenir de l’eau pure ni de l’eau potable. Les élèves rédigent ensuite individuellement leur compte-rendu (voir un exemple).
RÉINVESTISSEMENT : FILTRATION ET ENVIRONNEMENT

Ce sujet est abordé par une étude documentaire.
Questionnement et discussions

La question est d’abord relativement ouverte ("peut-on boire l’eau dans la nature ?") puis la maîtresse l’oriente et la ferme quelque peu. -Peut-on rejeter toutes les eaux dans la nature ? Que fait-on auparavant ? -Les eaux de source sont-elles toutes potables ? Cette phase, relativement courte, s’est déroulée collectivement, son but essentiel étant de récapituler ce que les élèves savent ou comprennent sans grande difficulté, et d’identifier ce qu’ils ignorent encore. -Avant de rejeter l’eau dans la nature, il faut la débarrasser de tout ce qui peut nuire à la santé et à l’environnement. Les élèves le savent ou le comprennent aisément.En revanche, tous affirment que les eaux de source sont nécessairement potables. Il faudra donc examiner plus attentivement la question de la pollution des eaux souterraines (voir l’article suivant). En préalable, l’activité qui suit vise à compléter rapidement les connaissances des élèves sur deux processus d’épuration des eaux : les stations d’épuration avant le rejet de l’eau dans l’environnement et la filtration par les sols à partir de l’exemple de l’eau d’Évian. Les élèves sont sollicités pour rechercher des documents qui complèteront ceux que pourra réunir la maîtresse.
Activité documentaire

Son but est donc rappelé aux élèves. Il s’agit de trouver deux types d’informations.
Quelles précautions prend-on avant de rejeter dans la nature les eaux usées par l’usage domestique ou professionnel ? -Comment sont alimentées les eaux de source ? Sont-elles toujours potables ? Aucun des documents consultés ne soulève la question de la pollution des nappes phréatiques. Les conclusions qui sont tirées sont donc les suivantes.
Les eaux que nous buvons sont pompées dans les rivières ou dans les nappes phréatiques.
Elles subissent un traitement pour les rendre potables. -Les eaux usées sont traitées dans une station d’épuration avant d’être rejetées. Ce moment donne lieu à des discussions complémentaires.
Les enfants de la campagne connaissent mieux les fosses septiques que les égouts.
La durée du trajet de l’eau d’Évian avant qu’elle n’arrive à la source (15 ans) surprend les élèves. Ils calculent spontanément la date à laquelle est tombée l’eau qu’ils peuvent boire aujourd’hui : on n’était pas né... Cette durée est mise en relation avec l’observation de la filtration à travers un "double filtre". Plus l’eau s’écoule doucement, plus la filtration est efficace.

CONCLUSIONS

Les activités sur ce sujet ne sont pas finies, la suite est décrite dans l’article qui suit. Nous marquons une pause dans ce compte-rendu pour tirer les premières conclusions.
comparaison des démarches en CE1 (article précédent) et en cycle3.

Disons en premier lieu que si en CE1 peu d’élèves pensent spontanément au filtre, ce n’est plus le cas au cycle 3, même chez les CE2.Les propositions sont d’une plus grande variété en cycle 3 et peuvent conduire bien loin si l’on suit toutes les idées émises (congélation fractionnée, distillation,...).Mais surtout, la pensée d’élèves de CM (c’est moins net pour les CE2) se rationalise et débouche sur des questions qui peuvent paraître secondaires, mais qui occasionnent des débats passionnés. On en a eu un aperçu avec la discussion sur la méthode de filtration susceptible de conduire au meilleur résultat. On en verra d’autres manifestations dans l’article suivant.
Faut-il laisser les élèves donner leur avis ?

Laisser la parole aux élèves, leur demander d’émettre des hypothèses, est une idée généreuse, mais elle fait souvent peur aux enseignants tant elle risque d’aboutir à des propositions nombreuses, diversifiées, peut-être farfelues, parfois incompréhensibles. Jugeant malhonnête de demander leur avis aux élèves puis de ne pas en tenir compte, certains enseignants préfèrent ne rien demander et imposer directement la méthode. Nos arguments et nos propositions sont les suivantes.En général, les élèves ne disent pas n’importe quoi ! Si des idées nous paraissent farfelues c’est que nous ne les comprenons pas, peut-être parce qu’elles ont mal été exprimées, ou bien parce que nous n’avons pas été assez attentifs...Les propositions, finalement, ne sont pas si nombreuses que cela. Le débat entre les élèves eux-mêmes contribue à opérer une sélection et à éliminer les hypothèses irréalistes.Il est toujours bon de prévoir la réalisation effective des expériences une séance après la phase de discussion. Cela laisse le temps à l’enseignant de réfléchir à la manière dont il va (ou non) prendre en compte toutes les idées. Il est des cas, en effet, où ce n’est pas possible. Nous en avons eu un exemple ici à propos de la distillation. Les propositions des élèves doivent être hiérarchisées et les choix qui sont faits par l’enseignant doivent être justifiés aux élèves.Quant à la préparation matérielle, elle doit être menée autant par les élèves que par l’enseignant.
À SUIVRE...

Notes :

[1] Ces deux qualificatifs ne sont pas synonymes, mais pour l’instant les élèves n’en savent rien. C’est à la fin des différentes activités qu’un point sera fait sur ces termes et que les élèves sauront que l’eau limpide n’est pas nécessairement potable.

[2] Elle est proposée par plusieurs manuels scolaires. Voir en particulier celui des éditions Hachette, 1986, coll. Pour connaître les sciences, CM.

[3] Nomblot J., (1999), "Où va l’eau quand on arrose une plante", MANIP n°5 : quelles démarches pour enseigner les sciences ?