Idées pédagogiques pour intégrer la modélisation et la fabrication numériques en mathématique, science et technologie
La modélisation 3D permet aux élèves de manipuler virtuellement des objets dans l'espace, favorisant le passage du concret vers l'abstrait.
Les formules mathématiques prennent tout leur sens lorsque l'élève peut construire et fabriquer de vrais objets basés sur des calculs précis.
L'impression 3D engage les élèves dans une démarche itérative de conception, de prototypage et d'amélioration de leurs créations.
Ces activités développent les dimensions D2, D10 et D12 du Cadre de référence de la compétence numérique.
L'utilisation du dessin 3D et de l'impression 3D favorise la compréhension conceptuelle par la visualisation, renforce les concepts de surface, volume et périmètre par la construction de structures, et montre que les formules sont liées à des objets et expériences concrètes.
| Niveau | Description | Cycles suggérés |
|---|---|---|
| Débutant | Utiliser un logiciel simple selon des instructions pour créer un modèle de base. Identifier les composantes d'une imprimante 3D. | 2e cycle |
| Intermédiaire | Concevoir un modèle simple et le préparer pour la fabrication. Comprendre la relation entre le design numérique et l'objet physique. | 2e et 3e cycles |
| Avancé | Choisir et combiner des outils pour des tâches. Analyser les problèmes techniques et résoudre de manière autonome. | 3e cycle |
Au 1er cycle, le dessin 3D informatisé n'est généralement pas recommandé. On privilégie la manipulation concrète de solides et l'observation d'objets imprimés en 3D créés par l'enseignant ou des élèves plus âgés.
Notions PDA visées : Comparer des objets ou des parties d'objets de l'environnement aux solides à l'étude; identifier les principaux solides.
Notions PDA visées : Décrire des prismes et des pyramides à l'aide de faces, sommets, arêtes; développer un prisme ou une pyramide; associer le développement de la surface d'un prisme au prisme correspondant.
Notions PDA visées : Estimer et mesurer des longueurs; calculer le périmètre de figures planes; estimer et mesurer des surfaces.
Notions PDA visées : Observer et produire des frises et des dallages à l'aide de la réflexion et de la translation.
Notions PDA visées : Expérimenter la relation d'Euler sur des polyèdres convexes; repérer des points dans le plan cartésien; classifier des triangles et des quadrilatères.
Notions PDA visées : Calculer l'aire de polygones; estimer et mesurer des volumes; effectuer des opérations sur des nombres décimaux.
« L'architecte en herbe »
Les élèves conçoivent une maquette 3D d'un bâtiment en respectant des contraintes mathématiques précises :
Compétences développées : C1 (Résoudre une situation-problème) et C2 (Déployer un raisonnement mathématique)
Au 1er cycle, les élèves développent la compétence « Explorer le monde de la science et de la technologie ». L'observation et la manipulation d'objets imprimés en 3D sont privilégiées plutôt que la création par les élèves.
Notions PDA visées : Classer des objets à l'aide de leurs propriétés; décrire l'effet de l'absorption de l'eau par différents objets.
Notions PDA visées : Reconnaître des machines simples (levier, plan incliné, vis, poulie, treuil, roue); identifier des manifestations d'une force (tirer, pousser, comprimer).
Notions PDA visées : Identifier les composantes d'un circuit électrique simple; distinguer les conducteurs des isolants.
Notions PDA visées : Décrire le système Soleil-Terre-Lune; associer les phases de la Lune à la position Lune-Terre-Soleil.
Notions PDA visées : Identifier des pièces mécaniques (engrenages, cames, ressorts, bielles); reconnaître deux types de mouvements (rotation et translation); décrire une séquence de pièces mécaniques en mouvement.
Notions PDA visées : Interpréter un schéma ou un plan comportant des symboles; utiliser les modes d'assemblage appropriés; conception et fabrication d'instruments, d'outils, de machines et de structures.
Notions PDA visées : Décrire les fonctions d'une cellule végétale et animale; décrire l'anatomie et la fonction des principaux systèmes.
Notions PDA visées : Décrire les principales structures à la surface de la Terre; identifier des étoiles et des constellations.
« Défi ingénierie : le pont le plus résistant »
Les élèves conçoivent et fabriquent un pont en utilisant la démarche de conception technologique :
Compétences développées : Proposer des explications ou des solutions; mettre à profit les outils de la science et de la technologie.
Outil en ligne gratuit, idéal pour débuter. Interface intuitive par glisser-déposer de formes géométriques de base.
Modélisation 3D par blocs de programmation visuelle. Permet d'intégrer des concepts de programmation à la création 3D.
Environnement familier pour les élèves. Permet d'exporter des créations pour l'impression 3D avec des outils complémentaires.
Version éducative gratuite. Interface professionnelle adaptée pour les élèves plus avancés du 3e cycle.
Pour préparer les fichiers 3D pour l'impression, un logiciel de « tranchage » est nécessaire. Cura (gratuit) et PrusaSlicer (gratuit) sont les options les plus populaires et conviennent parfaitement au milieu scolaire. Ils permettent de définir les paramètres d'impression comme la qualité, le remplissage et les supports.
Les tableaux ci-dessous présentent une sélection de notions de la PDA particulièrement pertinentes pour les activités de dessin 3D et d'impression 3D. Pour les formulations exactes et complètes, consulter les documents officiels du ministère de l'Éducation du Québec.
| Cycle | Section PDA | Notions pertinentes |
|---|---|---|
| 1er cycle | B. Solides | Comparer des objets de l'environnement aux solides à l'étude; identifier les principaux solides (boule, cône, cube, cylindre, prisme, pyramide) |
| 1er cycle | C. Figures planes | Comparer et construire des figures; identifier des figures planes (carré, rectangle, triangle, losange, cercle) |
| 2e cycle | B. Solides | Décrire des prismes et pyramides à l'aide de faces, sommets, arêtes; développer un prisme ou une pyramide |
| 2e cycle | D. Frises et dallages | Observer et produire des frises et dallages à l'aide de la réflexion et de la translation |
| 3e cycle | B. Solides | Associer le développement de la surface d'un polyèdre convexe au polyèdre correspondant; expérimenter la relation d'Euler |
| 3e cycle | A. Espace | Repérer des points dans le plan cartésien (dans les 4 quadrants) |
| Cycle | Section PDA | Notions pertinentes |
|---|---|---|
| 1er cycle | A. Longueurs | Estimer et mesurer des longueurs avec des unités non conventionnelles et conventionnelles |
| 2e cycle | B. Surfaces | Estimer et mesurer des surfaces; calculer l'aire de figures à l'aide de formules |
| 3e cycle | C. Volumes | Estimer et mesurer des volumes; établir des relations entre les unités de mesure de volume |
| Cycle | Section PDA | Notions pertinentes |
|---|---|---|
| 1er cycle | A. Matière | Classer des objets à l'aide de leurs propriétés (forme, taille, couleur, texture) |
| 2e-3e cycles | C. Forces et mouvements | Identifier des manifestations d'une force; décrire comment une force agit sur un corps |
| 2e-3e cycles | D. Systèmes et interaction | Reconnaître des machines simples (levier, plan incliné, vis, poulie, treuil, roue) |
| 3e cycle | D. Systèmes et interaction | Identifier des pièces mécaniques (engrenages, cames, ressorts, bielles); reconnaître deux types de mouvements (rotation et translation) |
| 2e-3e cycles | E. Techniques | Conception et fabrication d'instruments, d'outils, de machines, de structures |
| Type de stratégie | Éléments pertinents pour le 3D |
|---|---|
| Stratégies d'exploration | Émettre des hypothèses; explorer diverses avenues de solution; faire appel à divers modes de raisonnement |
| Stratégies d'instrumentation | Recourir au design technique pour illustrer une solution (schéma, croquis, dessin technique); recourir à des outils de consignation |
| Stratégies de communication | Recourir à des modes de communication variés pour proposer des solutions; organiser les données en vue de les présenter |
Le contexte « Conception et fabrication » mobilise particulièrement les dimensions suivantes du Cadre de référence de la compétence numérique :