Déroulement

• Articulation avec l'unité 1 : les élèves ont élaboré des hypothèses concernant la localisation de l'absorption d'eau par une plante : "l'eau pénètre par les racines", "l'eau pénètre par les feuilles". Comment mettre à l'épreuve ces hypothèses retenues par la classe ?
  
  

• Phase 1 – Conception d'un protocole expérimental
  

Les élèves travaillent par groupes. Chaque groupe a pour objectif de concevoir un protocole expérimental permettant d'éprouver une des hypothèses retenues par la classe. On propose aux élèves de mener l'expérimentation sur des plantules de pois.
Pour gérer l'hétérogénéité des élèves, on peut faire le choix de constituer des groupes de travail différenciés de façon à avoir des groupes plus autonomes au profit d'autres qui auront davantage besoin de l'adulte. Le travail au sein des groupes est organisé en amont par une distribution des rôles entre les élèves. Cette organisation peut être guidée en demandant aux élèves de se partager les rôles au sein du groupe en complétant une fiche. L'enseignant veille à la distribution équitable et adaptée des rôles de chaque élève.

Les élèves sont aidés dans la conception de leur protocole par un document à compléter qui structure cette activité. Celui-ci peut être projeté sur TNI et découvert collectivement. Il rappelle le problème et l'hypothèse à tester, et il guide l'élève dans la conception du protocole par une série de questions. Les élèves listent le matériel nécessaire, précisent comment l'utiliser (schéma annoté et texte), prévoient ce qui devra être observé, et quand et comment l'observer. Les élèves anticipent également les résultats : "Si l'hypothèse est vérifiée, alors nous devons observer...".

Exemples de protocoles produits par des groupes d'élèves de CM : à gauche pour montrer que l'eau pénètre par les feuilles, à droite que l'eau pénètre par les racines.

Guide à l'usage de l'enseignant :
Comment concevoir un protocole expérimental permettant de tester l'absorption de l'eau par les racines ?
Comment concevoir un protocole expérimental permettant de tester l'absorption de l'eau par les feuilles ?

• Phase 2 : confrontation collective des protocoles.

La confrontation collective des protocoles vise à identifier avec les élèves des critères de qualité de leur protocole expérimental, c'est-à-dire les éléments qui font que le protocole permettra effectivement de mettre à l'épreuve l'hypothèse travaillée. Dans le cadre de ce travail, on peut rechercher comment la zone de la plante visée est explorée, si la comparaison avec un témoin est envisagée, quel phénomène sera repéré ou mesuré (niveau de l'eau ? survie de la plante ? croissance de la plante ?...). Les modalités de mesures sont également intéressantes à discuter en classe (avec des repères et une règle, avec du papier millimétré, avec une mesure étalon ...). Les résultats attendus si l'hypothèse est vérifiée peuvent aussi donner lieu à des échanges argumentés entre groupes d'élèves. Le débat permet de définir le principe des protocoles qui seront mis en œuvre et de réaliser certains choix communs, en tenant compte de ce qui est possible en classe, et en respectant la variété des propositions des élèves.

Cette phase nécessite de repérer au préalable les éléments signifiants dans les protocoles proposés par les élèves, et de prévoir un support de présentation : affiches, vidéoprojecteur... La phase 2 est différée dans le temps de la phase 1 pour permettre à l'enseignant d'analyser les protocoles initiaux et d'élaborer des questionnements permettant d'animer le débat. Le guide proposé dans la phase 1 est également une aide pour analyser les protocoles des élèves et pour conduire la confrontation collective des protocoles initiaux produits en phase 1.

Un exemple de protocole retravaillé par la classe

• Phase 3 : réflexion sur le recueil de données

Lorsque les protocoles ont été discutés, il est important d'anticiper la forme sous laquelle seront récoltées les mesures et les observations au cours du temps : tableaux, schématisation du dispositif, repérage du niveau d'eau sur les tubes... C'est l'occasion de liens intéressants entre sciences et mathématiques.

• Phase 4 : mise en place des protocoles.

Les élèves travaillent en groupes pour mettre en œuvre leurs protocoles. Ils disposent du protocole retravaillé en phase 2. L'enseignant a au préalable préparé le matériel nécessaire pour chaque groupe.

• Phase 5 : Récolte des données

Durant deux semaines, les élèves suivent régulièrement leurs expériences et récoltent les données sous la forme choisie.

Exemple de recueil de données dans un tableau à double entrée :
- pour tester l'hypothèse "L'eau rentre par les racines"
- pour tester l'hypothèse "L'eau rentre par les feuilles"

• Clôture

Les élèves ont mis en place des expériences et ont recueilli des données qui sont traitées et interprétées dans l'unité 3.

Compétences

Démarche scientifique

• Expérimenter pour tester une hypothèse : concevoir un protocole expérimental, manipuler, recueillir et consigner les données obtenues par l’observation et par la mesure.

Maîtrise de la langue

• Participer à un débat. Apprendre à argumenter. Produire un écrit argumentatif.

Prérequis mathématiques

• Utiliser un tableau à double entrée.
• Utiliser des instruments pour mesurer des longueurs.
• Soustraire deux nombres décimaux.
• Convertir des unités de mesure (mm, cm).

Organisation

Travail en groupes de quatre à cinq élèves, temps de débat et synthèse collectifs.

Déroulé temporel

Cette unité comprend trois séances (1 h environ) et des temps de 15 à 20 min (pour le recueil de données) à répartir sur deux semaines. Cette contrainte est liée à l'expérimentation sur le vivant (temps nécessaire à l'absorption d'eau par les plantules).

Matériel

• Plantules d'environ 8 cm, obtenues à partir de semis de pois (environ 30),

• Tubes à essai, 1 cm de diamètre (environ 30),

• Support pour tubes à essai (un par groupe).

Explicitation et justification des choix didactiques

• Qu'est-ce qu'un protocole expérimental ?
  C'est la description précise des conditions et du déroulement d'une expérience qui permet d'aboutir à des résultats exploitables (Alain Chomat). Concevoir un protocole expérimental, c'est planifier et organiser son action, en appui sur l'hypothèse à tester. Un protocole doit être pertinent, reproductible, exécutable et communicable. En savoir plus

• Apprécier la qualité d'un protocole expérimental
  Permet-il de mettre à l’épreuve l’hypothèse considérée ? Les résultats obtenus seront-ils dignes de confiance ? C’est ce qui est proposé ici, lors du travail par petits groupes (phase 1) et de la discussion en classe entière (phase 2). Un retour sur le protocole peut aussi avoir lieu lors de la mise en œuvre de l'expérience (en faisant, on s’aperçoit qu’il manque quelque chose…), ou après l’expérimentation, surtout si l’on n’arrive pas à conclure. Une part d’autonomie, de liberté pour explorer et de manipuler le matériel, la possibilité de se tromper ou de recommencer sont alors des éléments importants pour que les élèves s'engagent et donnent du sens à ces démarches, surtout si les choix réalisés sont formulés. 

• Le choix du matériel
  Dans la séquence proposée ici, la question porte sur la voie d’entrée de l’eau dans la plante, ce sont donc les organes présents ou placés dans l’eau qu’il faudra faire varier. Les conséquences sur la survie de la plante, et éventuellement sa croissance pourront être comparées dans différentes situations. C’est pour favoriser la comparaison que nous proposons de travailler avec des plantules issues de la germination de graines de pois. Il est aisé d’en obtenir de nombreuses, on peut les manipuler assez facilement (en étant soigneux et en ménageant les racines). Dans ce cas l'expérimentation est à mener au printemps de préférence, pour respecter le rythme saisonnier des végétaux et optimiser la germination des plantules de pois.
• Les traces de l'expérimentation
  Au cours de l'expérimentation les élèves produisent un certain nombre de traces (écrits, tableaux, graphes, photos, etc.) qui jouent un rôle très important dans la conduite de la démarche : Comment caractériser ces traces ?
  Au cours de leur travaux, les chercheurs sont amenés également à produire un ensemble de traces. Visionner une video présentant les 7 travaux des chercheurs.

Autres pistes

L'exploitation des données permet différents apprentissages en mathématiques :
- Conception d'un tableau à double entrée pour organiser les données.
- Travail sur les mesures : choix d'un outil de mesure, d'une unité de mesure, conversion des unités de mesure.
- Mesure d'un abaissement du niveau d'eau.
- Utilisation d'un tableur.

Auteurs : B. Foulet, A. Golay, R. Monod-Ansaldi, I. Piccioli, M. Prieur