Le cirque primaire d’expérience Teach article

Traduit par Linda Sellou. Attrapez les quand ils sont jeunes! Alex Griffin, Tim Harrison et Dudley Shallcross de l’université de Bristol, Grande-Bretagne, montrent comment il est important d’intéresser les jeunes enfants à la science et surtout que c’est très amusant!

Image courtesy of Bristol ChemLabS

Alex était dans sa dernière année de thèse de chimie….

«La pression est présente: Je n’ai pas encore terminé mes expériences et il me reste peu de temps. J’ai une thèse d’un million de pages à écrire et l’argent se fait rare aussi. «Comment fais-tu pour évacuer cette pression ?» vous vous demandez. Et bien j’essaie de me distraire en «reaching out».

Non, il ne s’agit pas la d’une technique de relaxation nouvelle génération mais uniquement de «Bristol ChemLabs»w1: un programme qui est mené par le département de Chimie de l’université de Bristol pour promouvoir la science, en particulier la chimie, auprés du grand public. Nous voulons balayer la mauvaise image de la science, qui est vue comme peu distrayante, ennuyeuse, dangereuse et/ou nuisible, et aussi montrer au public ce que l’on fait vraiment. L’une des principales choses est d’aller dans les écoles primaires.

La première étape est de charger l’équipement nécessaire, comme des ballons remplis de gaz Hélium ou Hydrogène, dans la voiture spacieuse de Tim Harrison. Quand on arrive à l’école, on décharge la voiture et on réquisitionne le hall de l’école pour une grande expérience. Les élèves (4-11 ans) assis en rang sont tous émerveillés et excités. Quand ils sont bien installés avec le premier rang portant tous des lunettes de sécurité (ceci plus pour l’effet que par nécessité), Tim commence. Il teste les connaissances des élèves en leur demandant quels sont les gaz qui se trouvent dans l’air. Ensuite il les ébahit avec des expériences à l’azote liquide, les stupéfait avec des réactions changeant de couleur, les fait rire avec une fontaine de bulles (merci le liquide vaisselle !) et finit par faire exploser des ballons remplis d’hydrogène en les enflammant. Bien sur, pour cette partie, le public participe. Il acclame la grosse explosion quand on enflamme un ballon d’hydrogène et, est déçu quand il ne s’agit que d’une petite explosion avec un ballon d’hélium!
L’excitation est redescendue pour le moment et on nettoie le hall pendant que Tim répond aux questions des enfants et des enseignants. Nous avons juste le temps pour une tasse de thé et puis ça recommence….

Pour deux classes d’enfants âgés de 9 à 11 ans, trois expériences sont organisées en rotation, ainsi tous les élèves font les trois expériences. On équipe les enfants avec des blouses, des lunettes de protection et des gants en latex (ils adorent ça !) et ils manipulent ensuite par paire. La première expérience consiste à dissoudre des rubans de magnésium dans différentes concentrations d’acide chlorhydrique. Ils mesurent ensuite le temps mis par le métal pour se dissoudre complètement. Quand la réaction est finie, le gaz dégagé est enflammé et un bruit sec se fait entendre. Les autres expériences consistent à faire des polymères de couleurs variés et gluants et une réaction contrôlée avec de l’iode (voir plus loin). De même, les enseignants sont équipés et participent aux expériences aux cotés des élèves. Cela me surprend de voir les enfants aussi confiants et entreprenants, je dois souvent réfléchir longuement avant de répondre à leurs questions.

Ces ateliers sont faits pour s’amuser tout en apprenant la chimie, néanmoins on introduit aussi un semblant de compétition. Par exemple, l’équipe avec le meilleur temps dans l’expérience de l’iode, se verra remettre un tapis de souris ou une tasse «ChemLabs»!

Extenués mais toujours en effervescence, nous rangeons le matériel et rentrons à l’université de Bristol ou nous déchargeons le matériel. C’est ma façon de me relaxer!»

Les liens écoles primaires-université: gagnants-gagnants?

Image courtesy of Bristol ChemLabS

Il y a quelques raisons pour lesquelles des ateliers de chimie ou de science ne peuvent pas être organisés pour les écoles primaires même si les subventions et connaissances sont présentes. Dans plusieurs pays, les écoles primaires ont des liens directs avec les établissements de l’éducation supérieure ou bien les collèges des environs. Il serait donc possible pour des personnes ou des groupes d’écoles de chercher des subventions pour des équipements supplémentaires collectifs ou pour payer la visite dans des écolesw2 de groupes appropriés. L’équipement nécessaire utilisé dans la plupart des ateliers est indiqué dans l’encadré.

Les départements universitaires de science ont des ressources que les écoles primaires pourraient utiliser après de légères modifications. Bien qu’il y ait toujours un investissement financier ou temporel pour construire une relation entre l’université et quelques écoles primaires locales, nous pensons que ceci apporte des bénéfices énormes pour les deux parties. Les chercheurs (élèves en thèse, les maîtres de conférences et même les professeurs) ont l’opportunité de préparer et de mener des activités pour engager le public dans la science. Les écoles primaires découvrent et se familiarisent avec de nouvelles sources, méthodes et modèles, ce qui apporte beaucoup aux enseignants ainsi qu’aux élèves. En effet, par rapport à notre expérience, il peut aussi y avoir un troisième bénéficiaire dans le cas où les écoles secondaires reçoivent les écoles primaires au sein de leurs locaux avec leurs équipements et s’aident du personnel universitaire et des élèves spécialisés en science.

«Les élèves passent ensuite des heures à parler de leur expérience préférée (pour la plupart, il s’agit de celle avec la mousse et le liquide vaisselle). Ils étaient très excités et en admiration devant ce qu’ils venaient de voir. Même les plus jeunes qui ont pleuré (du à de légères explosions volontaires) ont pensé que c’était super.»

«[Tim] a fait des expériences avec du dioxyde de carbone et de l’azote liquide, des œufs, des gants, des fleurs, des tubes en caoutchouc, etc… qui ont converti 240 enfants en une demi-heure – toute la bande « c’est pas cool d’apprendre » incluse. Nous allons dorénavant changer le programme pour incorporer de telles activités. Les écoles ont besoin de beaucoup plus de choses similaires. C’était merveilleux de voir les élèves autant motivés.»
Deux enseignants

«Je ne savais pas que les gaz pouvaient geler.»
«Je veux vraiment être un scientifique quand je serai grand.»
Elèves de CE1 (7-8 ans)

« Je m’attendais à ce qu’ils soient béats face aux changements de couleurs, aux béchers fumants et aux explosions bruyantes que Tim a créé dans l’enceinte du hall de l’école, mais c’est en fait leurs réactions pendant les expériences réalisées dans la classe qui m’a le plus impressionnée. Malgré une excitation certaine, leur comportement était exemplaire, ce dont bénéficia l’image de l’école. De plus, à la fin de la session de 30 minutes, chaque paire était capable de prédire à la seconde près, une réaction cinétique assez complexe ! Du point de vue des enfants, nous avons totalement réussi à rendre la science «cool»!»
Un étudiant en thèse de chimie après avoir aidé pour la première fois dans un atelier d’école primaire.

 

Necessary equipment

L’équipement de Bristol ChemLabs pour les ateliers en écoles primaires contient:

  • 60 blouses, taille enfant, adulte petit et moyen
  • 50 paires de lunettes de protection, adultes et enfants
  • 400 paires de gants jetables en latex, de tailles variées
  • Béchers en plastique, éprouvettes graduées, agitateurs
  • 250 verres en plastique jetable (incassable)
  • Chronomètres
  • Instructions plastifiées (facile à nettoyer/sécher)
  • Tubes à essais et portants
  • Un bec bunsen (au butane), brindilles et allumettes
  • Plusieurs rouleaux de papier absorbant
  • Sacs poubelle
  • Une bouilloire électrique
  • Sérum pour laver les yeux

L’équipement, les boites de rangement, les produits chimiques, et autre matériel pour une visite d’une journée coûte environ 4000 livres sterling. Ce prix inclut le matériel pour la démonstration donnée à toute l’école.

 

Détails pratiques pour l’atelier chimie

Une classe (avec un évier) est très facilement transformée en un laboratoire temporaire. Bien que nous offrions un éventail d’expériences, les plus populaires sont celles qui sont destinées à améliorer la manipulation, la recherche et le travail en équipe, et aussi accroître la sensibilisation à la sécurité vis-à-vis des produits chimiques. Ces expériences sont décrites plus loin.

Plusieurs enseignants d’écoles secondaires reconnaîtront les expériences, mais le but de les pratiquer en école primaire n’est pas de demander aux élèves de produire un compte-rendu. Ils peuvent le faire plus tard avec leur enseignant. Mais le point principal est de montrer aux enfants, le coté amusant et intéressant que la science peut offrir.

Note: Tous les produits chimiques doivent avoir une fiche sécurité réalisée par les personnes menant les expériences et doivent prendre en compte les conditions locales. Les instituteurs qui ne possèdent pas des connaissances en chimie peuvent préférer obtenir les solutions suivantes de collègues d’écoles secondaires locales.

Rechercher les propriétés d’une masse visqueuse et de polymorphe

La masse visqueuse est fabriquée en mélangeant des solutions de Borax et d’alcool polyvinylique (APV), ensuite on ajoute quelques gouttes de colorant alimentaire. En changeant la proportion de Borax on change les propriétés physiques de la masse visqueuse. Cette expérience (plutôt dégoûtante) est très populaire avec les enfants.

Le polymorphe est un matériel thermoplastique qui peut être modelé à une température relativement basse de 62°C.

Materiel

Pour deux classes de 35 élèves travaillant en paires, vous aurez besoin de 3L de solution APV et 2L de solution Borax.

Pour faire 1L de solution d’APV:

  1. Prendre 40g d’Alcool Polyvinylique et ajouter de l’eau jusqu’à obtenir un volume d’1 L.
  2. Remuer pendant que la température dans l’eau augmente de 40º à 90ºC (au moins 1h). Pour accélérer la réaction, couvrir le bêcher d’aluminium afin de contenir la chaleur.

Pour faire 1L de 4% de solution de Borax:

  1. Prendre 40g de Borax et ajouter de l’eau jusqu’à obtenir un volume total d’1 L.
  2. Remuer.

Note: Borax est aussi appelé borate de sodium ou tetraborate de sodium, il est généralement utilisé dans les détergents, les purificateurs d’eau, les savons et désinfectants.

Le polymorphe peut être acheté à Middlesex University Teaching Resources, Grande-Bretagnew3, pour €30/kg. Une portion de 4-5g est donnée à chaque élève (dans des tubes individuels).

Méthode

Les élèves doivent:

  1. Verser 1cm de solution APV dans un verre en plastique jetable (utiliser les marques visibles sur le verre, la solution est trop visqueuse pour utiliser une éprouvette graduée).
  2. Optionnel: ajouter 3-5 gouttes de colorant alimentaire et remuer.
  3. Ajouter un volume de Borax, rigoureusement mesuré et remuer.
    Au départ, dire à chaque paire d’utiliser un volume fixe de Borax-entre 4 et 10 ml.
  4. Avec des gants, sortir la masse visqueuse du verre en plastique et regarder ses propriétés tactiles en l’étirant.

Présenter aux élèves le polymorphe thermoplastique. Il vient sous forme de granulés blancs qui, quand plongés dans de l’eau chaude (supérieure à 62°C), peuvent être modelés en formes intéressantes telles que des poissons, des oiseaux ou -pour les moins imaginatifs- des balles. Les balles faites de ce matériel rebondissent différemment selon que le polymère est toujours chaud ou qu’il ait reformé ses liaisons dans la forme initiale.

L’expérience cinétique à l’iode

Avec cette expérience, les enfants explorent la dilution et apprennent comment mesurer des volumes de façon correcte afin de provoquer le changement de couleur de la réaction chimique après exactement 30 secondes. Cette activité est menée sous forme de compétition qui se doit d’être amusante pour les enfants.

L’expérience utilise deux solutions nommées simplement solution A et solution B (voir-plus bas). Les noms des produits chimiques ne sont pas mentionnés pour éviter la confusion chez les enfants. Les élèves ont trois petits béchers à moitié remplis avec les solutions A, B et de l’eau (E) avec les éprouvettes graduées respectivement étiquetées.

Matériel

Pour deux classes de 35 élèves, vous avez besoin de 4L de chaque solution.

Pour faire 4 L de solution A, mélanger les produits suivants et ajouter de l’eau pour obtenir un volume total de 4 L:

  • 0,2 g d’amidon soluble
  • 30 ml acide ethanoïque (acide acétique glacé)
  • 4,1 g d’ethanoate de sodium (acétate)
  • 50 g iodure de potassium
  • 9.4 g de thiosulphate de sodium

Pour faire 4L de solution B, prendre 200 ml (30%, aussi décrite comme 100 Vol) de peroxyde d’hydrogène et ajouter de l’eau pour obtenir un volume de 4 L.

Méthode

Vérifier que chaque paire possède l’équipement approprié et sait utiliser un chronomètre, ensuite montrer la réaction sans dilution. Mélanger ensemble 15ml de solution A et solution B. Le mélange deviendra noir après quelques secondes.

Discuter de l’effet d’ajouter de l’eau à la réaction. Utiliser les termes tels que « moins concentrée » et « plus diluée » dans l’explication, afin que les élèves puissent visualiser ce qui se passe. Donner toutes les instructions à l’oral pour maximiser le temps passé à faire l’expérience.

Défier les enfants de faire changer la réaction en couleur noire après un temps précis. Cibler un temps compris entre 30 et 60 secondes. Donner à chaque paire d’enfant un temps à atteindre différent.

Bien que l’expérience ne soit pas strictement un test juste puisque le volume ainsi que la concentration du mélange change, cette expérience suscite l’intérêt des élèves, tout en leur apprenant comment mesurer, rechercher et travailler en équipe. Si nécessaire, il est possible d’offrir un prix aux meilleurs élèves.

Il est possible de rendre cette expérience plus complexe pour les étudiants du cycle secondaire, par exemple en insistant sur le fait que la solution B doit être diluée de telle manière que le même volume de solution B soit utilisé à chaque fois, ce qui est plus juste scientifiquement.

A la fin de l’expérience, verser soigneusement la solution d’iode formée dans l’évier et rincer. Essuyer et réutiliser les béchers. Si vous ne possédez pas d’évier, utilisez un seau (dans lequel vous placerez des cristaux de thiosulfate de sodium qui réagira avec l’iode) et jeter la solution dans les toilettes à intervalles.

Dilution d’acide

Les élèves aiment rechercher l’effet de diluer un acide dans sa réaction avec du magnésium, particulièrement parce qu’ils peuvent récupérer le gaz hydrogène et le faire légèrement exploser en l’enflammant, à la fin.

Matériel

  • Ruban de magnésium de 2 cm de longueur. Chaque élève a besoin de 5 morceaux.
  • Environ 2L des quatre concentrations d’acide chlorhydrique (HCl), voir plus bas.
Table 1: Concentrations d’acide chlorhydrique
Concentrations approximatives (molaire, M) Volume d’11 M d’acide chlorhydrique (ml) Volume d’eau (L)
2.0 364 2
1.5 273 2
0.1 182 2
0.5 91 2

Méthode

Les élèves doivent:

  1. Mesurer 10 ml d’un acide et les verser dans un tube à essai.
  2. Ajouter un morceau de magnésium, déclencher le chronomètre et l’arrêter quand la solution ne produit plus de bulles.
  3. Ecrire les résultats et convertir le temps en seconde.
  4. A la fin de la session, utiliser le dernier morceau de magnésium et piéger le gaz hydrogène libéré pendant la réaction, avec un deuxième tube à essai, ensuite avec une brindille préalablement enflammée, enflammer le gaz en faisant attention.
  5. Comparer les résultats de cette expérience avec l’explosion des ballons d’hydrogène réalisée lors de la présentation dans le halle de l’école.

Quand nous faisons cette expérience, les étudiants en thèse montrent aux élèves comment enflammer le gaz et les supervisent soigneusement quand ceux-ci le font eux même.

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Web References

Resources

  • Les précisions sur les activités menées par Bristol ChemLabS pour le cycle secondaire peuvent être trouvées ici:Harrison T, Shallcross D (2006) Perfume chemistry, sexual attraction and exploding balloons: university activities for school. Science in School 3: 48-51. www.scienceinschool.org/2006/issue3/perfume

Author(s)

Alex Griffin est maintenant chercheuse au Synchrotron Radiation Source, GB.

Tim Harrison est enseignant-professeur au sein Bristol ChemLabs.

Dudley Shallcross est professeur de chimie atmosphérique à l’Université de Bristol et est le directeur de Bristol Chemlabs outreach.


Review

Cet article décrit les visites des étudiants universitaires dans les écoles primaires pour faire des expériences chimiques, encourager les élèves, les inspirer et les intéresser à la chimie et engendrer étonnement et allégresse.

Vous trouverez les descriptions détaillées des expériences, qui peuvent être même utilisées par les enseignants qui ne possèdent pas d’expérience approfondie en chimie ou d’accès facile à un laboratoire. Je ferai certainement l’expérience cinétique avec l’iode avec mes élèves.


Sølve Tegnér Stenmark, Norvège




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CC-BY-NC-SA