Fête de la science 2022

Thématique nationale : Changements climatiques.

Changements climatiques et habitat (2h00)

Niveau CE – CM

Adaptation de la séquence proposée dans le projet « Ma maison, ma planète… et moi ! » de la Fondation La Main à la Pâte.

Partie 1 : classe entière mais groupes constitués de 4 à 5 élèves

Durée	60 – 70 minutes
Matériel	Pour chaque groupe : 10 photos de différents habitats (annexe 1 version papier imprimée ou projection avec utilisation de Digiscreen (son mode d’emploi très simple) et du fichier Tri-photos.dgs) 6 à 12 cubes en bois 1 feuille A3 pour placer les cubes, qui représente le terrain (route, parc,) (facultatif) une photocopie de la fiche élève 1 (Niveau CE ou Niveau CM) que nous vous demandons d’imprimer (1ex par groupe).
Objectifs	Définir les notions de logements, habitats, habitat individuel ou collectif, agencement des logements… Constater que l’habitat collectif permet (dans l’absolu) d’économiser de l’espace au sol, mais aussi des matériaux.
Compétences	Observer, décrire, argumenter. Mesurer l’aire d’une surface grâce à un pavage effectif à l’aide d’une surface de référence (dont l’aire est prise pour unité) Se repérer dans l’espace Approche des solides dans une situation concrète (nombre de faces visibles, mitoyennes, au sol…)
Dominante	Mathématiques
Lexique	Surface habitable, surface au sol, volume, mur mitoyen L’habitat est un mode d’organisation et de peuplement à des fins de logement. Le logement est un local à usage d’habitation.

Déroulement :

Etape 1 : 15 – 20 minutes d’observation / questionnement sur les photos et les différents habitats vus par les élèves.
Pour démarrer la séance, nous proposons un tri collectif, projection sur TBI, de photos permettant de définir la notion d’habitat, individuel ou collectif. L’habitat se définit comme organisation du logement.

Habitat collectif à gauche. Habitat individuel à droite.

Attention ! L’objectif n’est ici que de distinguer ces deux types d’habitats. L’enseignant pourra à loisir, reprendre les photos pour parler matériaux, taille des logements, isolation phonique ou thermique, etc.

Etape 2 : 20 minutes de recherche et modélisation de l’agencement de 6 ou 12 logements (cubes)

L’enseignant demande aux enfants de se mettre dans la peau d’un maire ou d’une équipe municipale qui doit créer un nouveau quartier pour loger douze familles arrivant dans sa ville. Six ou douze cubes représentant chacun le logement d’une famille sont distribués à chaque groupe d’élèves.

Consigne : Trouve trois solutions différentes pour disposer ces six (douze) logements sur un terrain à bâtir. Il faudra veiller à ce que chaque logement ait au moins une face (c’est-à-dire un mur) en contact avec l’extérieur (pour éviter d’avoir un cube entouré par d’autres cubes de tous les côtés, ce qui correspondrait à un logement sans fenêtre !).

Rappeler le fait qu’un cube représente un logement, pas une pièce, et qu’il faut utiliser tous les cubes.

Etape 3 : 20 minutes pour compter les faces afin de comparer les constructions

L’enseignant distribue la fiche 1 qui permettra de comparer les constructions entre elles. Les consignes nécessitent une explication et une démonstration, notamment pour ce qui concerne les murs mitoyens. L’enseignant peut utiliser deux cubes collés et montrer qu’il n’y a qu’un mur séparant les deux logements : c’est le mur mitoyen.
Les élèves travaillent par groupes et proposent des configurations très variées.

Par exemple :

6 cubes bien séparés (maisons individuelles : l’espace entre deux cubes peut être un jardin, une route…) ;
6 cubes collés les uns aux autres, mais sur un seul étage (une « barre ») ;
2 étages de 3 cubes chacun ;
3 étages de 2 cubes chacun ;
une combinaison de maisons individuelles et d’immeubles de tailles et formes diverses…

Les formes sont entièrement libres, on peut donc concevoir des agencements plus ou moins compacts, plus ou moins « biscornus ». Il est nécessaire de passer dans les groupes afin de s’assurer que les élèves comptent convenablement les surfaces en contact avec l’extérieur… et surtout les surfaces mitoyennes.

Mise en commun
À tour de rôle, un membre de chaque groupe propose une configuration (différente de celles présentées par les autres groupes). On peut les disposer sur une table centrale, ou les prendre en photo et afficher les photos. On vérifie le comptage des faces en contact avec le sol, mitoyennes, ainsi que les totaux. (préparer des photos des agencements possible ?)

Etape 4 : 10 minutes – habitat et environnement

Le maître peut alors poser une question du type : d’après vous, quels sont les agencements les plus respectueux de l’environnement ? Pourquoi ? La question étant un peu difficile, il aura sans doute besoin de les guider : Quelles différences ou similitudes observe-t-on ? Que pourrait-on compter ? Qu’est-ce qu’on a appris avant qui nous servirait ?
Il insiste sur le fait que le volume ne change pas d’une configuration à l’autre : chaque famille a autant de place pour vivre. On se questionne sur l’intérêt d’avoir une faible surface au sol car, en ville, l’espace est compté.

Note scientifique

Les considérations économique et écologique se rejoignent puisque l’étalement urbain est lui-même un fléau environnemental.

Le nombre total de murs permet d’estimer la quantité totale de matériau nécessaire à la construction : plus il y a de murs, plus il faut de matériau. On cherche donc à minimiser cette quantité (rappel sur l’impact environnemental de matériaux comme le béton, cf. séquence 2)… et il faut pour cela privilégier l’habitat collectif.

Le dernier aspect, qui n’est pas évident pour les élèves, est l’importance de la surface en contact avec l’air extérieur. Le maître peut les guider en faisant appel à leur expérience. D’après vous, est-il plus facile de chauffer une maison ou un appartement de même volume ? Les élèves répondent sans problème que l’appartement nécessite moins de chauffage, puisqu’il y a d’autres logements autour qui agissent comme un isolant. En hiver, lorsqu’il fait froid dehors, il est en effet préférable d’avoir peu de surface en contact avec l’extérieur. Ce lien entre la surface d’échange avec l’air extérieur et la rapidité avec laquelle les échanges de chaleur se font n’est pas forcément évident pour les élèves. Il s’agit plus d’une intuition que d’un savoir construit. C’est pourquoi nous proposons de l’explorer par une expérience très simple dans la seconde partie de l’atelier.

Conclusion

Le maître demande aux élèves de conclure collectivement. Appartement ou maison, est-ce pareil ?

Exemple de conclusion : L’habitat collectif est plus économique et écologique que l’habitat individuel : il économise l’espace au sol, l’énergie et les matériaux de construction

Partie 2 – Compacité et perte de chaleur (45 minutes)

Durée	45 min
Matériel	Pour chaque groupe : 2 récipients de même matériau mais de forme différente : l’un doit être de grande section, l’autre doit être plus « compact » – par exemple : 1 petite barquette de 8 x 8 cm de côté ( environ 3 x 3 faces de cube) et une grande barquette de 13 x 8 cm. 4 cubes en papier/carton de 2,3 cm de côté. 4 patrons des cubes (ou projection Geogebra ?) 32 ( 20+12) carrés en papier de 2,3 cm de côté. De l’eau chaude (environ 45°C) De l’eau froide 2 thermomètres protocole expérimental (à télécharger et à imprimer – 1 par groupe) Fiches élèves 2-3 (à télécharger et imprimer)
Objectifs	Comprendre qu’un habitat compact limite les pertes de chaleur, donc permet une économie d’énergie.
Compétences	Manipuler, modéliser et expérimenter Utiliser un thermomètre digital
Dominante	Sciences et technologie
Lexique	Compacité, étalement.

Etape 1 : 5 minutes – formulation d’hypothèse

Nous venons de voir que deux logements pouvaient avoir le même volume, mais offrir des surfaces d’échange avec l’extérieur (surface de contact avec l’air) très différentes.
L’enseignant construit avec quelques cubes deux agencements de même volume, mais l’un très compact (cubique par exemple) et l’autre très étalé. Il évoque avec les élèves leur « compacité », en définissant ce terme : un habitat compact est un habitat qui offre une faible surface d’échange avec l’extérieur (murs extérieurs et toiture).

Le maître pose alors la question suivante : En hiver, si on arrête le chauffage, quels logements vont se refroidir le plus vite (ceux qui sont dans un habitat compact ou étalé) ?
Les élèves notent leurs hypothèses individuellement. Une réflexion collective est engagée pour trouver une expérience qui mettrait de répondre à la question. Les propositions sont discutées afin de vérifier la faisabilité des expériences proposées.

Etape 2 : Expérimentation

Une expérience est proposée aux élèves, mettant en relation les surfaces totales des cubes de chaque agencement (utilisation des patrons et des carrés de papier représentant les murs et toit extérieurs) avec les surfaces des deux récipients. Cette manipulation a pour objectif de montrer qu’il y a une déperdition de chaleur plus importante quand la surface d’échange avec l’extérieur est plus grande.

Les élèves (ou l’enseignant) cherchent à réaliser un pavage de la surface libre. Ils comptent le nb de surfaces libres des cubes et récupèrent le nombre de carrés correspondant. Ils essaient de les agencer pour obtenir un carré ou un rectangle. L’enseignant explicite ce que représente le carré/rectangle construit.

Note pédagogique – Il s’agit d’une modélisation dans laquelle :

l’eau représente l’air intérieur de la maison (air qu’on veut maintenir chaud) ;
la surface de contact entre l’air et l’eau représente la surface des murs en contact avec l’extérieur ;
le récipient n’a pas de rôle précis, autre que de maintenir l’eau dans une « forme » étalée ou compacte.
Les deux récipients doivent être du même matériau et de même épaisseur. On peut aussi les entourer d’isolant (sauf la surface du dessus) pour supprimer les transferts de chaleur « par les côtés » (puisque nous nous intéressons uniquement aux transferts de chaleur entre l’eau et l’air).

On verse de l’eau chaude (environ 45°C) dans deux récipients différents (petite barquette = habitat « compact ») et grande barquette = habitat « étalé ») et on relève la température toutes les minutes pour observer la vitesse à laquelle l’eau se refroidit.

Chaque groupe réalise son expérience, en fonction du matériel disponible.

Il est important de mettre la même quantité d’eau (le même volume) dans ces deux récipients.

Dans le grand récipient, l’eau a une surface de contact avec l’air ambiant plus importante : sa température diminue plus vite que dans l’autre récipient, plus compact.

Dans chaque groupe, deux élèves relèvent la température au moment indiqué par le maître (maître du temps), les deux autres la notent sur la fiche 2. Les élèves tracent ensuite la courbe dans la partie 3.

Le chronomètre peut être affiché au tableau collectivement si l’on veut que les mesures soient réalisées en même temps pour tous les groupes.

Etape 3 (facultative) : Prolongements

En fonction du temps restant : Le maître peut alors demander aux élèves ce qui se serait passé si, au lieu de prendre de l’eau chaude, ils avaient pris de l’eau très froide. Ils en discutent collectivement, et font l’expérience pour vérifier leurs hypothèses.
On constate que, dans les deux expériences, c’est toujours l’eau présentant une grande surface de contact avec l’air qui se réchauffe ou se refroidit le plus rapidement.

Mise en commun et Conclusion

Menée collectivement au tableau, à l’aide des constructions réalisées par l’enseignant au début de la séance (deux agencements, l’un compact, l’autre étalé).

A l’aide des courbes réalisées (projection au tableau) Il s’agit de répondre aux deux questions suivantes :

En hiver, si on arrête le chauffage, quels logements vont se refroidir le plus vite (ceux qui sont dans un habitat compact ou étalé) ? Lequel de ces logements sera le plus facile à garder chaud ? Lequel permettra de faire des économies d’énergie ?
En été, lequel de ces logements sera le plus facile à garder frais ? Lequel permettra de faire des économies d’énergie ?

Pour les deux questions, la réponse est simple : l’habitat le plus compact est celui qui permet de faire le plus d’économie d’énergie (économies de chauffage en hiver, de climatisation en été).

La conclusion, élaborée collectivement, est notée dans les cahiers d’expériences et sur l’affiche de la classe.

Elle peut être par exemple :

Un habitat compact est plus économe en énergie car il limite la surface en contact avec l’air extérieur. En été il reste frais plus longtemps, et en hiver il se refroidit moins vite.

Prolongements

On peut, à cette occasion, revenir sur les habitats traditionnels dans différents pays et constater que ceux-ci sont très compacts sous les climats froids. L’exemple extrême étant l’igloo, de forme hémisphérique, la plus compacte possible. Ainsi, les pertes de chaleur sont minimisées.
On peut étudier les principes d’un éco quartier et proposer des évolutions de leur propre quartier, afin de mieux répondre aux besoins des habitants tout en minimisant l’impact sur l’environnement.