Introduction

Dans cette activité pratique STEM, les élèves exploreront le processus de conception en ingénierie en construisant et en testant leurs modèles d’éoliennes. À l’aide de matériaux du quotidien, ils examineront comment la conception des pales et la structure de l’éolienne influencent les performances, en simulant les efforts réels visant à exploiter l’énergie éolienne plus efficacement.

Matériel

• Document de travail de l’élève

Veuillez noter: Le matériel peut être distribué par groupe ou accessible depuis une table centrale de fournitures. Les élèves choisiront les matériaux qu’ils souhaitent utiliser. Les quantités indiquées sont suggérées par groupe.

Matériel par groupe (disponible pour les groupes ; certains matériaux peuvent ne pas être utilisés par un groupe particulier) :

Matériel pour la classe : Ventilateur de bureau pour générer du vent et rallonge électrique (si nécessaire)

Matériel de construction supplémentaire (facultatif) :

• 1 à 2 grands gobelets en plastique ; assiette et bol en papier
• Autres matériaux recyclables, comme des bouteilles en plastique
• Pistolet à colle chaude

Matériel pour l’extension (facultatif) :

• Poids standards (ex. : pièces de monnaie, poids de 10 g, etc.)

Objectifs des élèves

Les élèves seront capables de :

• Concevoir et construire un modèle fonctionnel d’éolienne.
• Tester et analyser comment les caractéristiques de conception influencent les performances de l’éolienne.
• Appliquer le processus de conception en ingénierie.
• Collecter et analyser des données de performance.

Processus de conception en ingénierie

• Questionner : Quelle conception fonctionne le mieux ?
• Imaginer : Réfléchir à des idées
• Planifier : Esquisser et choisir une conception.
• Créer : Construire votre éolienne.
• Tester : Mesurer les performances.
• Améliorer : Réfléchir et revoir la conception.

Procédure

1. Mise en place : Répartissez les élèves en groupes de 2 à 3. Fournissez le matériel aux élèves avec les instructions pertinentes. Distribuez le Formulaire de conception expérimentale (Document de travail de l’élève) à chaque élève. Assurez-vous d’avoir accès à une source d’alimentation pour le ventilateur de bureau.

2. Introduction : Montrez aux élèves les photos d’éoliennes (page 3) et demandez-leur : « Qu’est-ce que vous remarquez sur ces éoliennes ? » Guidez les élèves pour qu’ils observent la forme des pales, leur taille et leur nombre, la hauteur de la tour, l’espacement et le placement, ainsi que les caractéristiques structurelles.

3. Étape 1 de l’activité (Conception en ingénierie – Questionner) : Les élèves doivent construire une éolienne capable de soulever un gobelet médical pour qu’il touche la nacelle le plus rapidement possible. Quelle équipe peut soulever son gobelet le plus vite ? Montrez aux élèves le schéma des composants d’une éolienne à la page 4.

• Choisissez une vitesse de ventilateur et une distance par rapport à la maquette d’éolienne. Montrez les « conditions météorologiques » à la classe ; celles-ci doivent rester constantes pendant les phases de test et de présentation.
• Définissez la hauteur de la tour (par ex. : 30 cm / 12 pouces).

Remarque : Les éoliennes peuvent être fixées au bureau et les gobelets doivent commencer en posant sur le bureau (ou suspendus au bord du bureau).

Objectifs alternatifs : Pour augmenter la difficulté, demandez aux équipes d’utiliser des poids à l’intérieur du gobelet médical. Quelle équipe peut soulever 3 pièces de monnaie jusqu’à la nacelle le plus rapidement ? Parmi les équipes finalistes, laquelle peut soulever le plus de poids ?

• Demandez aux élèves de formuler une question de conception et de l’écrire dans la première section du Formulaire de conception expérimentale (Document de travail de l’élève).

• Les questions des élèves doivent se concentrer sur la façon dont une caractéristique de conception (conception des pales, structure ou mécanisme) influe sur la rapidité avec laquelle l’éolienne soulève le gobelet.

• Exemple : Comment le nombre de pales affecte-t-il le temps nécessaire pour soulever le gobelet ?

4. Étape 2 de l’activité (Conception en ingénierie – Imaginer) : Chaque groupe dispose de 20 à 30 minutes pour rechercher et esquisser une conception d’éolienne capable de soulever un gobelet médical à l’aide des matériaux choisis.

• Les élèves doivent utiliser la section Recherche du Formulaire de conception expérimentale (Document de travail de l’élève), incluant une esquisse de leur conception avec les matériaux prévus, clairement étiquetés ou listés.

Remarque : Demandez aux élèves d’obtenir l’approbation de l’enseignant pour leur conception avant de passer à l’étape suivante.

5. Étape 3 de l’activité (Conception en ingénierie – Planifier) : Les élèves formuleront une hypothèse et construiront leurs éoliennes.

• Demandez aux élèves de formuler une hypothèse portant sur la seule caractéristique de conception clé (conception des pales, structure ou mécanisme) de leur question initiale et sur la façon dont elle influencera les performances. Leur hypothèse doit prédire un résultat mesurable (ex. : temps de soulèvement).

• Structure de l’hypothèse : « Si _________caractéristique de conception________, alors _________résultat mesurable________, parce que _________explication scientifique (comment/pourquoi)_________. »

• Les élèves écriront leur hypothèse dans la section Hypothèse du Formulaire de conception expérimentale.

6. Étape 4 de l’activité (Conception en ingénierie – Créer) : Les équipes passent 30 à 45 minutes à construire l’éolienne selon leur conception et les paramètres définis à l’Étape 1 de l’activité.

7. Étape 5 de l’activité (Conception en ingénierie – Tester) : Une fois que les équipes d’élèves ont terminé la construction de leurs éoliennes, elles présentent leur hypothèse et testent leur éolienne devant la classe, en mesurant le temps que met l’éolienne pour soulever le gobelet médical depuis le bureau jusqu’à la nacelle.

• Les élèves doivent enregistrer leurs données de test dans la section Test du Formulaire de conception expérimentale et noter leurs observations.

8. Étape 6 de l’activité (Conception en ingénierie – Améliorer) : Après avoir terminé le test, les élèves analyseront leurs résultats et réfléchiront à des façons d’améliorer leur conception.

• Si le temps le permet, les élèves peuvent revoir leur conception, mettre en œuvre leurs améliorations et refaire le test. Sinon, les élèves peuvent discuter de leurs résultats et de leurs idées d’amélioration lors d’une discussion en classe.

• Les élèves doivent indiquer dans la section Analyse du Formulaire de conception expérimentale si leurs résultats confirment leur hypothèse, et décrire les améliorations qu’ils pourraient apporter sur la base des résultats du test.

Composants d’une éolienne

Exemples d’élèves