Activités pour le collégial

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Démonstrations interdisciplinaires pour les cours de biologie et de physique

La structure en double hélice de la molécule d'ADN

La structure de l’ADN

Les démonstrations qui sont présentées dans ce document permettent de réaliser en contexte de classe certaines observations similaires à celles qui permirent de développer le modèle de la structure en double hélice de la molécule d’ADN. Un enseignant pourra ainsi utiliser ces outils afin de mieux situer le contexte expérimental et historique de cette découverte scientifique importante.

L’évolution de l’oeil

La théorie de l’évolution par sélection naturelle publiée en 1859 par Darwin a transformé profondément notre compréhension de l’humain et de ses liens avec les autres organismes vivants. Le concept d’évolution est au cœur des cours de biologie du programme Sciences de la nature.

Ce module de démonstration dont l’élément central est un modèle de l’œil géant et démontable qui a été fabriqué au Centre de démonstration en sciences physiques (CDSP) a été inspiré par une conférence de Richard Dawkins datant de 1991 présentée dans le cadre des Christmas Lectures de la Royal Institution. Ce modèle permet d’illustrer comment chaque étape de l’évolution d’un organe est associée à un avantage sélectif. On peut ainsi assembler progressivement le modèle de l’œil et remarquer l’amélioration de la qualité optique des observations qu’il permet, montrant ainsi l’avantage qu’un animal peut tirer de chaque changement de la forme de l’œil. D’un autre côté, le même modèle peut être utilisé dans des cours de physique afin de présenter différentes notions d’optique en lien avec l’œil comme la formation des images, l’accommodation et les défauts biologiques de l’œil.

Modèle de l'oeil fabriqué au CDSP

Modèle de l’oeil fabriqué au CDSP

Montage pour la démonstration du mouvement brownien

Montage pour la démonstration du mouvement brownien

Le mouvement brownien

Ce module de démonstration présente l’utilisation d’un montage permettant d’illustrer le phénomène de mouvement brownien correspondant à l’agitation aléatoire incessante de particules en suspension sur un fluide. Le montage qui sera décrit dans ce document constitue une analogie à grande échelle de ce phénomène.

C’est en 1828 que Robert Brown décrit pour la première fois les collisions constantes entre les particules en suspension dans un liquide. Du point de vue de la physique, l’explication théorique de ce phénomène constitua l’une des preuves importantes en faveur de la théorie de l’atome au début du XXe siècle. Le mouvement brownien est également à l’origine du transport de la matière dans les organismes vivants. Il permet la diffusion des molécules et leur transport à travers la membrane cellulaire. Le montage de démonstration inclut donc des modèles de membranes qui permettent d’illustrer les différents types de transports membranaires abordés dans le cours de biologie Physiologie du vivant.

La microscopie

La science est aujourd’hui indissociable des instruments utilisés pour mener de nouvelles observations. De la lunette astronomique de Galilée aux gigantesques accélérateurs de particules, la science moderne s’est développé grâce à la mise au point de nouveaux appareils qui ont permis d’approfondir notre regard sur la nature et de dépasser les perceptions de nos sens. En ce sens, l’un des appareils scientifiques les plus importants fut sans contredit le microscope.

Ce module de démonstration s’intéresse à l’origine de cet appareil qui permit d’ouvrir une fenêtre sur un monde nouveau et insoupçonné. Plus particulièrement, on retrouvera des détails pour fabriquer et utiliser un microscope simple à une lentille, similaire à ceux qui furent utilisés par Anton Van Leeuwenhoek, l’un des pionniers de la microscopie.

Une réplique du microscope de Leeuwenhoek fabriquée au CDSP.

Une réplique du microscope de Leeuwenhoek fabriquée au CDSP.

Matériel de démonstration pour les cours de mise à niveau en sciences au collégial

Inventions électriques!

Ce module de démonstration a pour objectif de fournir du matériel pédagogique permettant de situer le contexte d’élaboration de certaines idées à propos de l’électricité et du magnétisme. Les démonstrations ainsi que les repères historiques qui s’y rattachent visent principalement le cours de Mise à niveau pour Science et technologie de l’environnement de la 4e secondaire (982-003-50), bien que plusieurs concepts dont il est question se retrouvent également dans le contenu du cours Électricité et magnétisme (203-NYB-05) du programme de Sciences de la nature. Les sujets qui sont abordés dans ce module se rattachent plus particulièrement à la pile électrique, son invention ainsi que les premières percées scientifiques et technologiques qui exploitèrent cette invention.

Pile voltaïque

Pile voltaïque

Montage de camera obscura

L’optique géométrique et la camera obscura

Ce module de démonstration, dont le contenu est lié à des concepts d’optique géométrique, s’intéresse particulièrement à la camera obscura, ou chambre noire, un appareil qui, à travers l’histoire, a permis de mieux comprendre la lumière, les images et la vision. Le module s’articule autour de six démonstrations surprenantes pouvant illustrer concrètement certains phénomènes lumineux. Il vise principalement le cours de Mise à niveau pour physique de la 5e secondaire (203-001-50), bien que plusieurs des concepts dont il est question se retrouvent également dans le cours Ondes et physique moderne (203-NYC-05) du programme Sciences de la nature. Ajoutons que ces démonstrations s’ancrent dans des contextes historiques intéressants, qui permettent notamment de présenter des liens entre l’art, la technique et les sciences. Ce module de démonstration a donc comme objectif principal d’outiller des enseignantes et enseignants du collégial avec du matériel concret pour aborder en classe les notions liées à l’optique géométrique.

La chaleur, un concept qui rayonne!

Ce module de démonstration porte principalement sur la notion de chaleur, qui sera abordée à travers le concept de rayonnement infrarouge. Les deux démonstrations proposées permettent respectivement de différencier la chaleur de la température et de voir la chaleur comme un rayonnement infrarouge. Par l’entremise de ces expériences sensibles, certains aspects des programmes de mise à niveau de la 4e secondaire seront abordés. Comme le programme de Science et technologie de l’environnement suggèrent l’intégration de repères historiques et culturels pour contextualiser les apprentissages, nous présentons en ce sens différentes sources nous apparaissant intéressantes.

L'expérience d'Herschel

L’expérience de Herschel

Démonstrations interdisciplinaires pour les cours de chimie et de physique

Expérience de Galvani à l'origine de la pile de Volta

Expérience de Galvani sur les cuisses de grenouilles et « l’électricité animale »

La pile électrique

L’invention de la pile électrique par Alessandro Volta constitue un moment clé dans l’évolution des sciences. Il est d’ailleurs remarquable que cette percée technologique majeure du XVIIIe siècle résulte d’une découverte inattendue d’un professeur d’anatomie Italien, Luigi Galvani.

Ce module de démonstration a pour objectif de fournir du matériel pédagogique permettant de situer la controverse scientifique à l’origine de l’invention de la pile électrique et décrire le fonctionnement, l’impact et l’évolution de cette technologie. L’histoire de cette découverte revêt un intérêt pédagogique en enseignement des sciences pour discuter de l’influence de certaines controverses dans l’évolution des sciences. L’histoire du développement de la pile constitue également une bonne illustration de l’interaction entre le développement des technologies et des sciences.

La complexité

Ce module de démonstration a pour objectif de fournir quelques pistes pédagogiques permettant d’aborder des concepts en lien avec les sciences de la complexité dans des cours du programme de Sciences de la nature. Bien entendu, les sujets qui y sont abordés ne sont pas directement liés à des contenus généralement couverts dans les cours de chimie et de physique du programme. Il peut toutefois être intéressant de poser un regard sur ce champ de recherches interdisciplinaires en plein essor afin d’illustrer les limites de certaines approches scientifiques conventionnelles : déterminisme, réductionnisme, analyse de systèmes à l’équilibre, etc. En ce sens, les sujets qui seront présentés se veulent accessibles pour des étudiants de niveau collégial et permettent de situer certains apprentissages dans un contexte plus actuel qui ouvre sur des questions scientifiques contemporaines et interdisciplinaires.

La réaction de Belousov-Zhabotinsky

La réaction de Belousov-Zhabotinsky

Montage utilisant des aimants et de la limaille de fer permettant de discuter des orbitales atomiques

Montage utilisant des aimants et de la limaille de fer pour discuter des orbitales atomiques

« Voir » l’atome

La présentation de l’évolution des différents modèles de l’atome constitue un élément central du programme de Sciences de la nature que l’on retrouve autant dans les cours de chimie que de physique. L’objectif de ce module de démonstration est d’offrir des montages permettant de mieux visualiser certaines idées en lien avec différents modèles de l’atome. Certains montages proposés font référence à des expériences importantes qui ont permis de percer les mystères de l’atome (mouvement brownien et spectroscopie), tandis que d’autres offrent une représentation physique de certains concepts abstraits concernant l’atome (orbitales, niveaux d’énergie).

PROJET D’INTÉGRATION DE REPÈRES CULTURELS EN ENSEIGNEMENT DES SCIENCES AU SECONDAIRE ET AU COLLÉGIAL (2013-2015)

Un deuxième projet de collaboration a été mené par le Centre de démonstration en sciences physiques et la Faculté des sciences de l’éducation de l’Université Laval. Il visait à appuyer la formation en didactique des sciences aux niveaux secondaire et collégial par l’intégration d’une approche culturelle appuyée par des démonstrations. Le matériel pédagogique que vous pourrez télécharger ci-dessous présente différentes démonstrations scientifiques surprenantes, développées dans une perspective de transfert en classe. Celles-ci sont contextualisées à l’aide d’histoires choisies pour mettre en évidence la créativité, l’ingéniosité et la passion dont ont fait preuve des femmes et des hommes pour mieux comprendre le monde qui nous entoure. Dans les trois modules, structurés autour d’un thème intégrateur, les sciences sont présentées comme une entreprise humaine et les savoirs scientifiques comme un héritage commun.

Visuel_Module_CameraObscura_2

La camera obscura
et l’évolution des
idées « lumineuses »

Ce module de démonstration s’intéresse à la camera obscura, un appareil qui a permis de mieux comprendre la lumière, les images et la vision à travers l’histoire. Le module s’articule autour de quatre fiches d’accompagnement portant sur différents thèmes – l’œil et la vision, la lumière et l’astronomie, la perspective dans les arts, l’image et l’idée d’observation – et présentant des montages de démonstration pouvant illustrer concrètement certains phénomènes « lumineux ».

Visuel_Module_Musique_2

Du son à la musique : où créativité et sciences se rencontrent

Ce module de démonstration aborde le thème de la musique comme trame de fond pour présenter différents phénomènes liés à la nature du son, à sa perception et à son interprétation. La musique, comme ancrage culturel, nous nous permet de présenter les préoccupations ou les croyances qui avaient cours à certaines époques et qui ont permis de faire évoluer nos connaissances. La musique nous sert ainsi de prétexte pour faire des ponts entre arts, sciences et mathématiques, une autre façon d’illustrer les prouesses de la créativité humaine.

Visuel_Module_Mesures

Se mesurer
au
monde

Ce module de démonstrations aborde le thème de la mesure pour présenter différentes « histoires de science » par l’entremise de montages surprenants. Le module s’articule autour de trois axes. Le premier porte sur la mesure de la Terre, en particulier sa dimension et son âge. Le deuxième s’intéresse à la lumière et sur la façon dont on est arrivé à mesurer des phénomènes lumineux, tandis que le troisième a pour objectif de discuter de certaines limites de la mesure et des modèles prédictifs en s’initiant aux sciences de la complexité.