Concevoir et fabriquer un contenant isotherme
Contenants isothermes (natalie_board, iStockphoto)
Contenants isothermes (natalie_board, iStockphoto)
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
Les élèves en apprendront plus sur la conception et la fabrication d’un prototype de dispositif permettant de conserver les aliments au frais pendant une durée déterminée.
Survol
| Activités | Durée | Taille des groupes | Description |
|---|---|---|---|
| Activité théorique: Recherche et compréhension du problème | 20 minutes | Grand groupe | Les élèves découvriront ou réviseront les caractéristiques des isolants et verront des exemples d’isolants efficaces. Les élèves mobiliseront aussi leurs connaissances sur les répercussions environnementales néfastes qu’entraîne l’utilisation de certains matériaux. |
| Action: Conception, fabrication, mise à l’essai et présentation d’un prototype | 40 minutes | Petit groupe | Les élèves concevront, fabriqueront et mettront à l’essai un dispositif permettant de conserver des aliments au frais pendant une durée déterminée. |
| Consolidation: Analyse des résultats | 20 minutes | Toute la classe Petit groupe | Après l’essai des prototypes, les élèves examineront les données de la classe et détermineront les caractéristiques de conception qui ont permis de limiter efficacement le transfert de chaleur. |
Cette leçon peut être réalisée sur plusieurs jours.
Les élèves pourront:
- Utiliser leurs connaissances sur le transfert de chaleur et l’isolation pour créer un contenant qui réduit au minimum ce transfert
- Recourir à un processus de conception technique collaboratif et aux compétences connexes pour concevoir et fabriquer une structure en toute sécurité
- Comprendre les possibles effets néfastes de l’utilisation de matériaux isolants sur l’environnement
Objectifs d’apprentissage
Les élèves pourront:
- Utiliser leurs connaissances sur le transfert de chaleur et l’isolation pour créer un contenant qui réduit au minimum ce transfert
- Recourir à un processus de conception technique collaboratif et aux compétences connexes pour concevoir et fabriquer une structure en toute sécurité
- Comprendre les possibles effets néfastes de l’utilisation de matériaux isolants sur l’environnement
Les élèves pourront:
- Cerner les sources potentielles de transfert de chaleur dans les contenants isothermes
- Créer un contenant isotherme qui répond aux critères établis
- Reconnaître les problèmes environnementaux liés à l’utilisation de contenants à usage unique pour emporter les aliments
- Prendre en considération tant les propriétés isolantes que les effets environnementaux des matériaux de fabrication choisis (facultatif)
Critères de réussite
Les élèves pourront:
- Cerner les sources potentielles de transfert de chaleur dans les contenants isothermes
- Créer un contenant isotherme qui répond aux critères établis
- Reconnaître les problèmes environnementaux liés à l’utilisation de contenants à usage unique pour emporter les aliments
- Prendre en considération tant les propriétés isolantes que les effets environnementaux des matériaux de fabrication choisis (facultatif)
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Observations
- En prenant des notes, observez la capacité des élèves à écouter activement et à exprimer des idées lors de discussions en grand groupe (Activité théorique).
- En prenant des notes, observez la capacité des élèves à suivre un processus de conception technique (Action).
- Observez et enregistrez (audio ou vidéo) la façon dont les élèves planifient la fabrication de leurs contenants isothermes (Action).
- Observez et notez comment les élèves utilisent les outils et matériaux de façon sécuritaire (Action).
Conversations
- Discutez avec les élèves de leurs esquisses. Invitez-les à les décrire et à expliquer comment leurs idées répondent aux critères de conception (Action).
- Discutez avec les élèves du processus de fabrication de leurs contenants isothermes, y compris des difficultés rencontrées et des solutions utilisées pour les surmonter (Consolidation).
Produits
- Examinez les notes et les dessins des élèves qui font partie du journal de planification de la conception (Action).
- Les discussions sur les prototypes finis sont notées dans le document Garder au frais: grille d’évaluation centralisée (Consolidation).
Preuve de l’apprentissage des élèves
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Observations
- En prenant des notes, observez la capacité des élèves à écouter activement et à exprimer des idées lors de discussions en grand groupe (Activité théorique).
- En prenant des notes, observez la capacité des élèves à suivre un processus de conception technique (Action).
- Observez et enregistrez (audio ou vidéo) la façon dont les élèves planifient la fabrication de leurs contenants isothermes (Action).
- Observez et notez comment les élèves utilisent les outils et matériaux de façon sécuritaire (Action).
Conversations
- Discutez avec les élèves de leurs esquisses. Invitez-les à les décrire et à expliquer comment leurs idées répondent aux critères de conception (Action).
- Discutez avec les élèves du processus de fabrication de leurs contenants isothermes, y compris des difficultés rencontrées et des solutions utilisées pour les surmonter (Consolidation).
Produits
- Examinez les notes et les dessins des élèves qui font partie du journal de planification de la conception (Action).
- Les discussions sur les prototypes finis sont notées dans le document Garder au frais: grille d’évaluation centralisée (Consolidation).
Les élèves pourront:
- Utiliser leurs connaissances sur le transfert de chaleur et l’isolation pour créer un contenant qui réduit au minimum ce transfert
- Recourir à un processus de conception technique collaboratif et aux compétences connexes pour concevoir et fabriquer une structure en toute sécurité
- Comprendre les possibles effets néfastes de l’utilisation de matériaux isolants sur l’environnement
Objectifs d’apprentissage
Les élèves pourront:
- Utiliser leurs connaissances sur le transfert de chaleur et l’isolation pour créer un contenant qui réduit au minimum ce transfert
- Recourir à un processus de conception technique collaboratif et aux compétences connexes pour concevoir et fabriquer une structure en toute sécurité
- Comprendre les possibles effets néfastes de l’utilisation de matériaux isolants sur l’environnement
Les élèves pourront:
- Cerner les sources potentielles de transfert de chaleur dans les contenants isothermes
- Créer un contenant isotherme qui répond aux critères établis
- Reconnaître les problèmes environnementaux liés à l’utilisation de contenants à usage unique pour emporter les aliments
- Prendre en considération tant les propriétés isolantes que les effets environnementaux des matériaux de fabrication choisis (facultatif)
Critères de réussite
Les élèves pourront:
- Cerner les sources potentielles de transfert de chaleur dans les contenants isothermes
- Créer un contenant isotherme qui répond aux critères établis
- Reconnaître les problèmes environnementaux liés à l’utilisation de contenants à usage unique pour emporter les aliments
- Prendre en considération tant les propriétés isolantes que les effets environnementaux des matériaux de fabrication choisis (facultatif)
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Observations
- En prenant des notes, observez la capacité des élèves à écouter activement et à exprimer des idées lors de discussions en grand groupe (Activité théorique).
- En prenant des notes, observez la capacité des élèves à suivre un processus de conception technique (Action).
- Observez et enregistrez (audio ou vidéo) la façon dont les élèves planifient la fabrication de leurs contenants isothermes (Action).
- Observez et notez comment les élèves utilisent les outils et matériaux de façon sécuritaire (Action).
Conversations
- Discutez avec les élèves de leurs esquisses. Invitez-les à les décrire et à expliquer comment leurs idées répondent aux critères de conception (Action).
- Discutez avec les élèves du processus de fabrication de leurs contenants isothermes, y compris des difficultés rencontrées et des solutions utilisées pour les surmonter (Consolidation).
Produits
- Examinez les notes et les dessins des élèves qui font partie du journal de planification de la conception (Action).
- Les discussions sur les prototypes finis sont notées dans le document Garder au frais: grille d’évaluation centralisée (Consolidation).
Preuve de l’apprentissage des élèves
Cette icône indique des possibilités d’évaluation.
Observations
- En prenant des notes, observez la capacité des élèves à écouter activement et à exprimer des idées lors de discussions en grand groupe (Activité théorique).
- En prenant des notes, observez la capacité des élèves à suivre un processus de conception technique (Action).
- Observez et enregistrez (audio ou vidéo) la façon dont les élèves planifient la fabrication de leurs contenants isothermes (Action).
- Observez et notez comment les élèves utilisent les outils et matériaux de façon sécuritaire (Action).
Conversations
- Discutez avec les élèves de leurs esquisses. Invitez-les à les décrire et à expliquer comment leurs idées répondent aux critères de conception (Action).
- Discutez avec les élèves du processus de fabrication de leurs contenants isothermes, y compris des difficultés rencontrées et des solutions utilisées pour les surmonter (Consolidation).
Produits
- Examinez les notes et les dessins des élèves qui font partie du journal de planification de la conception (Action).
- Les discussions sur les prototypes finis sont notées dans le document Garder au frais: grille d’évaluation centralisée (Consolidation).
Matériel et préparation
Activités d’enseignement et d’apprentissage
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Activité théorique: Recherche et compréhension du problème (10 minutes)
| Instructions | Conseils pour l’enseignement |
|---|---|
|
Pour conserver la chaleur des aliments chauds et la fraîcheur des aliments froids, les contenants alimentaires doivent être conçus pour freiner les trois modes de transfert de chaleur. Mobilisez les connaissances antérieures des élèves en leur demandant de dire ce qu’ils savent des modes de transfert de chaleur (conduction, convection et rayonnement). Revoyez ces modes en utilisant la première diapositive du diaporama Empêcher le transfert de chaleur [diapositives Google] [pptx] [PDF].  Première diapositive du diaporama Empêcher le transfert de chaleur (© Parlons sciences, 2022). Poursuivez la projection du diaporama et expliquez aux élèves comment les caractéristiques d’une bouteille isolante ou d’un ThermosMD limitent les différents modes de transfert de chaleur. Revoyez la différence entre les isolants et les conducteurs et demandez aux élèves quel matériau serait le plus efficace pour conserver la température d’un objet. Donnez des exemples d’isolants et de conducteurs. Demandez aux élèves de réfléchir aux répercussions environnementales de l’utilisation de différents matériaux isolants (p. ex., le matériau peut-il se décomposer naturellement [biodégradable]? Est-il fait de produits chimiques dangereux?) |
LangueCréez un mur de mots avec les termes importants du diaporama et leurs définitions. |
Action: Conception, fabrication, mise à l’essai et présentation d’un prototype (40 à 50 minutes)
| Instructions | Conseils pour l’enseignement |
|---|---|
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Groupez les élèves deux par deux ou en petits groupes. Ce travail peut aussi être réalisé individuellement. Distribuez aux élèves une copie de la fiche reproductible Garder au frais: journal de planification de la conception [document Google] [document Word] [PDF].  Première page de la fiche reproductible Garder au frais: journal de planification de la conception reproducible (© Parlons sciences, 2022). Avec les élèves, passez en revue les différentes sections de la fiche et vos attentes pour chacune d’elles. Invitez les élèves à utiliser les listes de vérification figurant sur chaque page pour suivre leurs progrès. Fournissez-leur également la fiche reproductible Garder au frais: grille d’évaluation centralisée [document Google] [document Word] [PDF] et passez en revue les critères listés dans la colonne centrale. Leurs prototypes seront évalués en fonction de ces critères.  fiche reproductible Garder au frais: grille d’évaluation centralisée (© Parlons sciences, 2022). |
LangueUn prototype est un modèle préliminaire d’un produit fini, généralement construit à des fins de mise à l’essai. Vous pourriez ajouter ce terme aux autres mots affichés sur le mur. 
IdéeExpliquez aux élèves que les spécialistes en ingénierie, en électricité, en plomberie et en menuiserie, entre autres domaines, qui construisent de vrais bâtiments, doivent respecter des spécifications pour assurer la sécurité des personnes qui y vivent ou y travaillent, et pour satisfaire les caractéristiques souhaitées par les commanditaires du projet. On utilise souvent des listes de vérification, comme celles utilisées par les élèves, pour ne rien oublier lors de la conception, de la construction et de la mise à l’essai d’objets réels.
IdéeAdaptez la grille d’évaluation en fonction des besoins de vos élèves et des résultats scolaires que vous souhaitez évaluer. |
|
Conception des prototypes Montrez aux élèves les matériaux qui seront mis à leur disposition. Remarque: Modifiez la fiche reproductible pour qu’elle corresponde aux matériaux que vous fournirez aux élèves. Expliquez aux élèves qu’il faut dessiner le prototype et en identifier toutes les pièces avant d’utiliser les matériaux pour fabriquer le contenant. Autrement dit, la fabrication commence seulement une fois que le plan est approuvé. |
TechnologieLes élèves peuvent utiliser un programme numérique, comme Google Draw ou Jamboard, pour concevoir leurs prototypes.
IdéeLes élèves peuvent consulter le document Garder au frais: liste des coûts environnementaux [document Google] [document Word] [PDF] pour choisir les matériaux de fabrication à utiliser. Cette liste évalue le coût environnemental de différents matériaux. Expliquez aux élèves qu’il est possible d’utiliser des matériaux comme la mousse de polystyrène, mais que cela leur coûtera un certain nombre de points environnementaux. Les élèves doivent comptabiliser sur leur esquisse les points environnementaux que leur coûtera leur conception (moins de points environnementaux = conception plus respectueuse de l’environnement). |
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Fabrication des prototypes Mettez à la disposition des élèves une autre canette de boisson gazeuse pour qu’ils vérifient si leurs contenants sont suffisamment grands. Fournissez aux élèves une étiquette pour numéroter leur prototype. Ce numéro correspondra à leur rangée de données sur la Feuille de données des prototypes de la classe [document Google] [document Word] [PDF].  Fiche reproductible Feuille de données des prototypes de la classe (© Parlons sciences, 2022). Cette feuille permet aux élèves de comparer anonymement leurs résultats avec ceux du reste de la classe.
Pendant l’exercice, discutez avec les équipes du processus de conception technique. |
SécuritéVous voudrez peut-être placer les outils ou les matériaux comportant un risque de blessure (comme le pistolet à colle chaude) dans un endroit que vous supervisez. 
DiscussionsLes questions de discussion peuvent inclure:
IdéeAu tableau ou au moyen d’un projecteur numérique, vous pouvez montrer comment identifier les parties d’une esquisse, y compris l’intégration de mesures. |
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Mise à l’essai des prototypes Le jour de l’essai, sortez toutes les canettes du frigo. Ouvrez la canette de contrôle. Avec le thermomètre stérilisé, prenez la température du liquide. Il s’agira de la mesure de référence pour les essais. Demandez aux élèves de noter cette température de départ dans leur journal de planification de la conception sur la page des essais de prototypes. Demandez ensuite aux élèves de placer leur canette dans leur prototype et de fermer le contenant hermétiquement. |
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Pendant la période d’attente, demandez aux élèves de répondre aux questions sur la réalisation de tests valables à la page des essais de prototype du journal de planification de la conception. Au besoin, enseignez ou révisez le concept de variables. |
Nature des SciencesDans un test valable, on modifie un seul élément (la variable indépendante) à la fois. Tout le reste (les variables contrôlées) demeure inchangé. De cette façon, les résultats (la variable dépendante) découlent seulement de la variable indépendante. Dans l’essai des prototypes effectué en classe, la variable indépendante est le type de contenant; les variables contrôlées sont les canettes de boisson gazeuse et le temps passé dans les contenants; la variable dépendante est le changement de température. |
|
Après environ trois heures, vérifiez chaque prototype en commençant par le groupe numéro 1. Demandez aux élèves de ce groupe d’ouvrir leur contenant isotherme et d’en sortir la canette. Plongez le thermomètre stérilisé dans le liquide et attendez que la température s’affiche. Demandez au groupe de noter la température dans le journal de planification de la conception et sur la feuille de données de la classe. Répétez le processus avec les autres prototypes. |
IdéeSi vous avez plus d’un thermomètre, vous pouvez vérifier les prototypes en petits lots. |
Consolidation: Analyse des résultats (20 minutes)
| Instructions | Conseils pour l’enseignement |
|---|---|
|
Passez en revue les températures finales de la classe et mettez en évidence deux ou trois prototypes présentant la plus petite variation de température.
Examinez ces prototypes avec les élèves et demandez-leur de préciser les caractéristiques de conception qui expliquent leur capacité à limiter le transfert de chaleur. Vous pouvez aussi demander aux élèves d’examiner quels modèles sont les plus réussis d’un point de vue environnemental. Pour aider les élèves à consolider leurs apprentissages, demandez-leur de répondre aux questions de réflexion à la dernière page du journal de planification de la conception. |
TechnologieVous pourriez recueillir vos observations sur les prototypes en utilisant un programme comme Google Jamboard. |
Information supplémentaire pour l’enseignement
La conception et la construction dans le monde réel
Image - Version texte
Une photo en couleur montre deux personnes qui parlent et regardent un ordinateur portable.
Elles sont assises à une table et regardent l’écran d’un ordinateur portable de couleur argentée.
La personne à gauche parle et fait des gestes vers l’ordinateur avec ses mains. Elle a des cheveux épais, foncés et bouclés et la peau brun clair.
La personne à droite a les bras croisés et se penche pour voir l’ordinateur de plus près. Elle a des cheveux courts, châtain clair, ainsi qu’une barbe et la peau pâle.
En arrière-plan se trouvent un mur de ciment gris et un couloir sombre.
Image - Version texte
La photo en couleur montre une personne regardant l’illustration d’une machine sur un écran d’ordinateur.
La personne tourne le dos à la caméra. Elle porte une chemise bleu pâle et ses cheveux noirs sont attachés en chignon. Ses mains sont sur la souris et le clavier devant l’ordinateur.
On peut voir l’écran de l’ordinateur par-dessus l’épaule de la personne. L’image d’une structure métallique occupe la majeure partie de l’écran. Elle est longue et sphérique, dotée de ce qui semble être des roues et des engrenages en mouvement.