Sciences C3: qualité de l'eau.

Voci quelques séances réalisées pour un travail avec nos élèves de Villegusien puis de Serqueux sur le thème de la qualité de l'eau.
Un grand merci à Célia Rivage pour son aide précieuse.
Le document est très long: il y a 4 séances et un petit bonus!

Bonne lecture!
Guillaume Leconte 

Objectifs :

définir le champ des investigations,

définir les utilisations de l’eau domestique,

définir la nécessité de l’eau dans la vie domestique,

définir la consommation de l’eau,

définir le besoin en eau propre et potable,

définir le cycle naturel de l’eau,

lier utilisation et pollution de l’eau dans son cycle naturel.

Notions :

l’eau est un élément indispensable à la vie quotidienne,

l’eau utilisée est salie : elle est consommée car rendue impropre à toutes nouvelles utilisations dans l’état,

il est nécessaire de nettoyer l’eau avant de la remettre dans le circuit,

le cycle de l’eau : trajet de l’eau et impact de la pollution.

Matériel :

            La discussion est commune. Elle a lieu autour du panneau du cycle de l’eau. Tout au long de la discussion, l’enseignant(e) prend soin de reformuler régulièrement les paroles des enfants.

un panneau figurant le cycle de l’eau,

un jeu de 5 flèches en carton (évaporation, condensation, pluie, ruissellement, infiltration),

un jeu de (6) photographies figurant la pollution de l’eau (une marée noire, une usine fumante, un dépôt d’ordures, une grande ville en bord de mer, une rivière polluée par de la mousse de lessive, un engin agricole qui pulvérise dans un champ).

Présentation:

            Cette séance est le point de départ du travail qui sera effectué sur le thème de l’eau domestique.

            Il s’agit donc de mener ici une première réflexion sur les utilisations de l’eau du robinet, sur la pollution qui en découle, l’impact négatif de cette pollution. On amènera les élèves à réfléchir sur un problème délicat : nous avons besoin quotidiennement de l’eau, nous la salissons quotidiennement, cela pollue. Que faire ?. Le constat appelle des actions !

Déroulement :

            Questionnement de l’enseignant(e) : On notera au tableau régulièrement les idées des enfants afin de garder une mémoire de la discussion. Ces traces écrites serviront en phase de synthèse. Il est intéressant de dire aux élèves pourquoi on note au tableau ce qu’ils disent. On fixe ainsi avec eux une des utilisations de l’écrit : la conservation de la mémoire.

             L’eau domestique :

D’où vient l’eau du robinet ? Réponses attendues : de la rivière, de la mer, des montagnes, de la source. L’enseignant(e) complète sa question si les réponses sont trop éloignées de la réalité locale.

A quoi sert l’eau du robinet ? Il sera peut être utile ici de préciser « à la maison », bien que l’on constate que c’est souvent de l’eau potable, donc « du robinet » qui est utilisée dans la plupart des gestes quotidiens, y compris des gestes industriels, agricoles…On prend en note les réponses puis on recherche avec les enfants les critères de catégorisation. Pour laver, pour se laver, pour boire, pour cuisiner, pour arroser, pour jouer…. On prend en note ces catégories.

Où va l’eau une fois que nous l’avons utilisée ? Réponses attendues : dans les tuyaux, dans un trou, dans les égouts, dans la mer. Ce sera ici aussi l’occasion d’un complément d’investigation auprès des services municipaux.

A ce stade, l’enseignant(e) effectue une première mise au point de l’avancée de la discussion : « Nous avons dis que… ».

Synthèse :

            Les usages quotidiens de l’eau sont repris : il est clair que les besoins sont nombreux. L’eau de qualité est nécessaire à notre vie quotidienne. Les besoins des hommes provoquent une consommation d’eau : de l’eau propre à l’utilisation est rendue impropre à toutes utilisation domestique future. Consommer l’eau c’est la salir.

Séance 2: Autour du cycle de l’eau.

Objectifs :

définir le cycle naturel de l’eau,

lier utilisation et pollution de l’eau dans son cycle naturel.

Notion :

le cycle de l’eau : trajet de l’eau et impact de la pollution.

Matériel :

            La discussion est commune. Elle a lieu autour du panneau du cycle de l’eau. Tout au long de la discussion, l’enseignant(e) prend soin de reformuler régulièrement les paroles des enfants.

un panneau figurant le cycle de l’eau,

un jeu de 5 flèches en carton (évaporation, condensation, pluie, ruissellement, infiltration),

un jeu de (6) photographies figurant la pollution de l’eau (une marée noire, une usine fumante, un dépôt d’ordures, une grande ville en bord de mer, une rivière polluée par de la mousse de lessive, un engin agricole qui pulvérise dans un champ).

Présentation:

Le cycle naturel de l’eau :

La discussion reprend avec comme support cette fois le panneau qui figure le cycle de l’eau.

Sur ce panneau, nous avons peint un paysage qui comporte un ciel et ses nuages, le Soleil, des montagnes aux cimes enneigées, un torrent qui se mue en fleuve, des champs cultivés et des terres labourées, une mer, une ville sur la côte.

L’enseignant(e) présente le panneau, posé à plat sur quelques tables jointes, en commençant par le Soleil, les nuages, la montagne, le torrent, la mer. « Cela vous dit-il quelque chose ? » Ici, les élèves de cycle 3 parlent immédiatement du cycle de l’eau : l’enseignant(e) l’a volontairement induit en présentant le support, l’objectif étant de créer le consensus, non pas d’évaluer si les élèves connaissent le cycle de l’eau.

            L’enseignant(e) reformule avec les élèves ce cycle naturel de l’eau :

« Le Soleil chauffe la surface de la mer (c’est la même chose avec un lac). l’eau se transforme alors en vapeur, c’est un gaz invisible. C’est l’évaporation. La vapeur monte dans le ciel. Là, il fait froid. La vapeur d’eau, ce gaz, se transforme en eau liquide : c’est la condensation qui forme les nuages ( la condensation a lieu dans le nuage). Puis, il pleut, ou bien il neige. Ce sont les précipitations. L’eau des nuages tombe sur le sol. Là, cette eau ruisselle ou bien s’infiltre. Ce sont le ruissellement et l’infiltration. Cette eau forme un ruisseau, un torrent, une rivière, un fleuve puis se jette dans la mer. »

Et tout ceci en suivant le cycle de l’eau avec le doigt sur le panneau.

 On étale alors sur ce panneau un jeu de flèches en carton. Sur ces 5 flèches sont inscrits les mots suivants : évaporation, condensation, précipitation (nous avions choisi « pluie »), ruissellement, infiltration. On demande aux élèves de replacer les flèches en explicitant encore le cycle de l’eau.

            Pollution :

            On présente alors aux enfants un jeu de photographies figurant la pollution de l’eau : « Voici plusieurs photographies issues de vos manuels de géographie. Pouvez-vous me dire pourquoi je les ai choisies ? » Les photographies sont présentées une à une à la classe pour que tous les identifie correctement. Réponse attendue : la pollution. On valide la proposition en explicitant à chaque fois la pollution. « J’ai choisi ces photographies parce qu’effectivement elles illustrent toutes des situations dans lesquelles l’eau est salie, polluée ».Pour plus d’efficacité, je vous préconise de commencer avec la marée noire. Cette photographie est très parlante :

- Pollution par le pétrolier : mort des oiseaux, des poissons, souillure de la plage…

- Pollution par l’usine : rejets dans l’air, dans l’eau…

- Pollution par la ville : des centaines et des milliers de chasse d’eau, d’eaux de lessives…

- Pollution par le dépôt d’ordures : par ruissellement, mauvaises odeurs…

- Pollution par la machine à laver : mousse dans la rivière qui tue les poissons.

- Pollution par l’engin agricole : ruissellement, ingestion directe…

            On demande aux élèves de placer les photographies sur le panneau. On les fixe sur le support.

Synthèse et trace écrite: On demande aux enfants ce qu’ils ont appris lors de la séance. On s’appuie sur les traces écrites au tableau. On reformule le tout :

            Dans la vie quotidienne, nous avons toujours besoin d’eau propre et potable pour :

nous laver,

laver le linge, le sol, la vaisselle,

boire,

cuisiner,

arroser les plantes, le jardin,

(moins souvent mais régulièrement) jouer dans la piscine...

Cette eau qui sort du robinet, nous ne savons pas encore d’où elle vient exactement. Peut-être de la montagne, ou bien de la rivière, d’une source…

Nous ne savons pas exactement non plus où elle va une fois que nous l’avons usée, salie. Dans les égouts ? Dans la nature ?

Nous avons besoin tous les jours de l’eau. Notre consommation de l’eau en  provoque une pollution généralisée or nous avons besoin d’eau propre pour vivre.

Ceci peut être un exemple de trace écrite.

Investigations nécessaires :

Enquête auprès des services municipaux pour répondre à nos questions : d’où vient et où va l’eau  du robinet. Un visite complétera avantageusement cette enquête (suivre le trajet de l’eau depuis le captage jusqu’au lagunage par exemple).

Recherches documentaires sur le problème de l’eau domestique ailleurs dans le monde (un des objectifs de l’EDD est de prendre conscience que les hommes sont ailleurs aussi, et souvent dans des conditions pires, confrontés aux mêmes problèmes que nous). Ces recherches peuvent faire l’objet d’exposés, voire d’expositions.

Prolongements :

      La séance suivante aura pour objectif de nettoyer de l’eau sale.

3) Fabriquer de l’eau sale…

et trouver des solutions pour la nettoyer !

(Formulation des hypothèses et élaboration des protocoles)

Matériel :

Des bouteilles en plastiques découpées (le goulot, la partie supérieure est conservée pour servir de porte-filtre).

Du café en poudre, des sachets de thé, du riz cru (uniquement des produits alimentaires !).

Des feuilles de format A3 pour la communication des protocoles.

Déclenchement de l’investigation :

On élabore l’échantillon d’eau sale avec les élèves. Pour ce faire, je préconise de mélanger dans des bouteilles en plastique débarrassées de leurs goulots deux ou trois cuillères de café en poudre, une pincée de thé, une pincée de riz cru. Ce mélange vous permet d’obtenir un étagement des corps dans l’eau et de procéder à des observations très intéressantes.

Cette eau est plutôt boueuse, opaque, très peu ragoûtante….

Réaction des élèves :  « Bah, elle est sale !!! » Oui, mais c’est ainsi qu’est l’eau que l’on capte dans les lacs pour l’envoyer dans les maisons !!!

C’est cette eau qu’il faut capter pour que l’on puisse se laver, faire la cuisine… Ici, la question qui déclenchera les investigations à venir est évidente : Il faut absolument nettoyer cette eau, la laver… Mais comment laver l’eau ?

            Où l’on commence les investigations par l’expérimentation…

            A l’atelier central, avec le groupe classe :

            Nous avons maintenant sur la table une bouteille pleine d’une eau sale, trouble, portant des corps en surface et d’autres en suspension (de la terre, des débris végétaux). Certains corps (les grains de riz) descendent au fond du récipient. En regardant bien, vous observerez des éléments qui remontent à la surface. Notre mélange s’organise…

Nous avons donc ici de l’eau qui ressemble à celle qui vient du lac. Nous avons vu que c’est cette eau qui va nous servir à la maison. Mais que dans l’état, elle est vraiment trop sale. Comment faire pour nettoyer cette eau ?

Formulation des hypothèses :

Sur l’atelier central, phase orale :

On recueille les hypothèses des élèves. Les idées de filtration, de décantation (et d’évaporation ?) devraient surgir.

Pour toutes ces idées, il est important de construire des protocoles d’expérimentation : « Pour faire mon expérience je vais… ».

Phase écrite :

Ces protocoles construits dans un premier temps à l’oral seront ensuite retranscrits à l’écrit (dessins et textes explicatifs).

            Idée d’organisation :

On peut privilégier un travail en ateliers : les groupes se définissent par hypothèses de travail. Les groupes travaillent ensemble à la rédaction de leurs protocoles.

Cette phase est importante : on réfléchit avant de faire. Ce temps de réflexion doublé du temps de la rédaction (écrire c’est formaliser des idées, c’est continuer sa réflexion) permet à nos échantillons d’eau sale de …décanter. Il y aura donc en séance suivante une première observation à faire…

Communication à la classe : Les groupes présentent leurs protocoles (avoir réaliser des affiches sur format A3).

Trace écrite :

Une « recette » pour fabriquer notre eau sale.

Les protocoles définitifs retenus (chaque groupe inclus dans son cahier son protocole).

L’ensemble des affiches/protocoles sont affichées pour mémoire et réutilisation en séance suivante.

La décantation :

Cette idée viendra aux élèves en observant, en tout début de séance, la fabrication de l’eau sale : l’enseignant précipite, dans le récipient transparent rempli d’eau, du café (on voit alors le café qui se « diffuse » dans l’eau, la colorant en dessous de la surface sur laquelle flotte la poudre), du thé (il flotte), du riz (en le précipitant, une partie des grains traverse la couche supérieure de café et tombe au fond du récipient).

En prenant le temps d’observer encore, on remarquera un mouvement descendant et un mouvement ascendant. Les élèves concluront aisément que les corps lourds descendent et que les corps légers montent.

Puis on mélange avec une baguette.

L’observation permet de remarquer rapidement que le mélange présente un « étagement » : au fond, les grains de riz se sont accumulés : c’est ça la décantation. On laisse reposer le mélange et par gravité les corps qui sont dans l’eau finissent par descendre. 

Forts de ces remarques, des élèves pourront vous proposer de laisser reposer, décanter, l’eau sale puis de prélever la partie supérieure du mélange et de laisser de côté le fond.

La difficulté réside alors en la définition d’une technique pour extraire la partie supérieure du liquide .

Des propositions d’élèves :

en versant doucement,

en prélevant avec une cuillère,

avec une paille, un tuyau,

avec une seringue,

en faisant un trou au dessus du dépôt.

Prévoir le matériel en fonction !

Une idée supplémentaire :

Il est intéressant de pouvoir observer une décantation sur une plus longue durée. On peut alors réduire en poussière de la craie de couleur dans un verre d’eau. Les verres évasés favoriseront la décantation (les particules descendent plus facilement en suivant les bords évasés). Au bout de quelques temps, vous observerez un très fin dépôt en surface, une eau limpide en étage intermédiaire et un dépôt important en fond.

On peut aussi mettre dans un tube à essais de notre eau sale de départ. On pratiquera ainsi une comparaison entre une décantation « naturelle » et une floculation…

Synthèse :

En laissant l’eau au repos (sans la remuer), les corps les plus lourds descendent : c’est la décantation.

La floculation :

Il s’agit ici de proposer aux élèves une solution pour améliorer, accélérer la décantation.

La floculation est inconnue des enfants : c’est l’enseignant qui la propose à l’issue de l’observation d’une décantation. c’est un complément de l’investigation. La floculation consiste à introduire dans le mélange un produit : du sulfate d’alumine (disponible au lycée, au collège ou bien en salle de sciences !). Ce produit provoque l’agglomération des particules présentes dans l’eau. Agglomérées, ces particules deviennent plus lourdes et… décantent rapidement!

La floculation se prépare avec une pipette, dans un tube à essais. Une fois le sulfate ajoutée à l’eau sale, on retourne le tube en le bouchant soigneusement avec le pouce. Puis on observe. Ici, vous verrez déjà des « flocs » qui descendent. Laissez reposer et comparez le lendemain avec la décantation « naturelle ».

La floculation est utilisée par les usines de production d’eau potable.

Synthèse :

On peut accélérer, améliorer  la décantation en ajoutant un produit chimique (du sulfate d’alumine). Ce produit fait se coller les impuretés les unes aux autres. Plus lourdes, elles décantent alors plus rapidement. C’est la floculation.

Les changements d’états :

Certains élèves vous proposeront peut-être de pratiquer une évaporation. Même si c’est le cas, il est nécessaire de revenir avec le groupe classe autour de la maquette représentant le cycle de l’eau.

On reformule ce cycle et on insiste alors sur l’évaporation et sur la condensation.

Puis, l’enseignant présente le matériel : la plaque chauffante, la casserole, le couvercle (assiette) froid(e), l’échantillon d’eau sale (selon le cas : eau de départ ou bien eau déjà filtrée, l’un n’empêchant pas l’autre…).

Puis l’on pratique l’évaporation : on observe les bulles qui se forment (les petites au début sont des bulles d’air qui s’échappent car l’eau chauffée perd de sa capacité à « emprisonner » de l’air) : les grosses bulles que l’on voit sont des bulles de vapeur. La vapeur c’est un gaz invisible. La « fumée » que l’on distingue au dessus de la casserole est le résultat de la condensation : ce n’est pas de la vapeur (elle est invisible !) mais des gouttes d’eau en suspension dans l’air. En plaçant au dessus une surface froide, on intensifie la condensation et l’on récupère des gouttes d’eau… propre !

On donne ces explications aux élèves.

On récupère l’eau propre dans un verre transparent.

Synthèse :

Pour rendre l’eau limpide, il faut la faire évaporer puis condenser.

Pour récupérer l’eau propre, on place au dessus de la casserole d’eau bouillante un couvercle froid.

L’eau récupérée par évaporation/condensation est propre.

Au fond de la casserole restent les impuretés.

Pour nettoyer ainsi l’eau, il faut beaucoup d’énergie.

Les déchets, la pollution de l’eau se concentre ainsi dans la mer car seule l’eau peut s’évaporer.

La mer est de plus en plus polluée.

Petite remarque : En laboratoire, on aurait distillé…

Une anecdote :

Les produits pesticides voyagent bien. c’est ainsi que dans les graisses des phoques du grand nord on a retrouvé des traces de produits phytosanitaires utilisés pour les bananeraies d’Afrique…

En suivant son cycle, l’eau concentre la pollution.

Synthèse et trace écrite :

On reprend les synthèses intermédiaires précédentes  si besoin et on les complètes :

Tous les jours nous avons besoin de l’eau : pour laver, se laver, boire, manger…

Quand nous utilisons de l’eau, nous la salissons.

Pour vivre, nous utilisons des pesticides, de la lessive, du pétrole… Tous ces produits polluent l’eau.

Cette pollution se retrouve et se concentre dans la mer.

Il est très difficile de nettoyer l’eau polluée or nous avons besoin tous les jours d’eau propre et potable (que l’on peut boire) pour vivre.

C’est pour cette raison qu’il nous faut agir pour moins polluer.

Avec la maquette « cycle de l’eau ».

Objectifs :

Reproduire dans des conditions expérimentales le cycle de l’eau.

Provoquer et observer l’évaporation puis la condensation de l’eau.

Notions :

L’eau est un corps particulier apte à subir des changements d’états réversibles.

L’eau existe sous diverses formes (ici gaz et liquide).

Le cycle de l’eau provoque la concentration de la pollution dans les grandes réserves d’eau (lac, mer, océans…).

Avoir compris et retenu que :

L’eau suit un cycle permanent qui la met en contact continu avec les pollutions.

La pollution de l’eau se concentre dans les grands réservoirs (lac, mers…).

Matériel :

Deux possibilités s’offrent à vous :

Utiliser du matériel courant ce qui aura comme avantage d’insister sur la notion de cycle plus que sur sa figuration : boîte transparent en plastique, verre transparent, film étirable et glaçons.

Utiliser une maquette du type de celle disponible en salle de sciences (beaucoup plus représentative mais ne fonctionnant pas  « mieux »).

Déroulement :

Autour de notre plateau/paysage :

            L’enseignant reprend le cycle de l’eau en faisant le lien avec l’expérience qui a consisté à faire évaporer puis condenser notre eau sale.

            Il n’y a pas de plaque chauffante sur notre paysage : la source de chaleur c’est le soleil qui chauffe l’étendue d’eau (la mer mais aussi un lac…). L’eau chauffée se transforme en gaz  invisible : c’est l’évaporation. L’eau, sous forme de vapeur (faire le lien entre les mots « vapeur » et « évaporation » en les écrivant au tableau et en mettant en relation « vapeur » et « vapor ») monte dans le ciel. En hauteur, il fait froid. Au contact du froid (pour l’expérience c’était avec le couvercle) la vapeur se condense : l’eau sous forme de gaz reprend une forme liquide (ou s’il fait très froid de solide : neige, glace). Il se forme alors des nuages (la condensation à lieu DANS le nuage). De ces nuages l’eau tombe sous forme de pluie (ou de neige, de glace…). C’est le cycle de l’eau.

Synthèse orale :

Et toutes ces explications en suivant avec le doigt le cycle de l’eau sur le tableau/paysage.

Tout au long de ce cycle l’eau rencontre la pollution (énumérer les pollutions définies par les photographies) et l’entraîne avec elle jusqu’à la mer (le lac). Par évaporation, seule l’eau monte. La pollution, elle, reste et se concentre dans la mer (le lac). On ne peut retirer cette pollution. C’est pourquoi il faut prendre garde à ne pas polluer l’eau.

L’eau sale (avec des débris végétaux…) est déposée sur le « bleu » qui figure l’étendue. Placez sur un radiateur la maquette. Sous les « nuages blancs », disposez des glaçons. Attention il est important de démontrer aux enfants que le couvercle de plastique ne peut pas laisser passer l’eau. Au bout de quelque temps, la condensation se produit sous les « nuages ». Il pleut, l’eau revient par le « relief » vers la « mer ».

La maquette « maison » :

                        Il est nécessaire également de prévenir les élèves que le film transparent est imperméable. Sinon les élèves penseront que l’eau qui sera récupérée dans le verre proviendra de la fonte des glaçons ! L’eau contenue dans la boîte transparente représente la mer, le lac. Le verre servira à récupérer l’eau de « pluie ». La pâte à modeler remplace sur la photographie les glaçons qu’il vous faudra utiliser. Voyez que le poids des glaçons provoque l’incurvation du film transparent. C’est cette incurvation qui permettra à l’eau de tomber dans le verre placé… juste en dessous !

  Documents réalisés par Célia Rivage (P.E. cycle 3 à Serqueux) et Guillaume Leconte  (P.E.M.F. à Villegusien)