par Fabrice Mourau
| RÉSUMÉ |
| A l’aide d’une carte Arduino, les élèves assemblent un instrument de mesure des particules fines dans l’air de la salle de classe et dans une enceinte. Les valeurs mesurées permettront de démontrer l’origine des particules fines, notamment les PM2.5 qui sont les plus dangereuses pour la santé. Enfin, une réflexion menée à l’échelle du territoire amènera les élèves à réfléchir (1) sur leur propre exposition au risque et (2) sur les enjeux de développement durable liés à la dégradation anthropogénique de la qualité de l’air. |
| PLACE DE L’ACTIVITÉ | |
| Niveau concerné | Cycle 4 – 5ème |
| Place dans le programme | La planète Terre, l’environnement et l’action humaine
Relier les connaissances scientifiques sur |
| Place dans la démarche / séquence | En classe de cinquième, suite au chapitre sur la nutrition, l’entrée Risques a été choisie pour préparer le travail sur l’appareil respiratoire qui suivra dans la progression. Dans une première séance, les élèves ont découvert les liens reliant la qualité de l’air et la santé (télécharger ici un exemple de fiche d’activité) et ils doivent maintenant estimer leur propre exposition aux risques liés à la qualité de l’air. |
| Mots-clés | Particules fines, qualité de l’air, EDD, Risques, Arduino, cycle 4 |
| OBJECTIFS PÉDAGOGIQUES | |
| Attendus de fin de cycle /Notions fondamentales mobilisées | – Identifier les principaux impacts de l’action humaine, bénéfices et risques, à la surface de la planète Terre. – Envisager ou justifier des comportements responsables face à l’environnement et à la préservation des ressources limitées de la planète. |
| Compétences travaillées ( en lien avec socle collège- celles des préambules des programmes en lycée) | Pratiquer des démarches scientifiques.
– Utiliser des instruments d’observation, de mesures et des Adopter un comportement éthique et responsable Identifier les impacts (bénéfices et nuisances) des activités humaines sur l’environnement à différentes échelles. |
| Compétence du cadre de référence des compétences numériques
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Domaine 1 : Informations et données Compétence 1-3 Traiter des données |
| MODALITÉS | |
| Durée indicative | 1h00 |
| Matériel nécessaire | Les classe entière, les élèves travaillent par groupe de 2 à 3 élèves. En 1/2 groupe, ils peuvent travailler seuls.
->On distribue par groupe/élève un Modul’éduc portant une carte Arduino, un écran LCD, une breadboard.( Cliquer ici pour plus de détail sur Modul’éduc ),des connecteurs au format Dupont et un capteur de poussière SDS011. Ce dernier peut-être directement fixé sur la planchette du Modul’éduc, mais ce n’est pas une obligation. La société AirCarto commercialise un module pédagogique compatible et déjà tout monté. C’est plus cher mais il fera gagner beaucoup de temps aux non bricoleurs.
–> On ajoute au montage un buzzer directement relié aux broches 9 et GND de l’Arduino.
Figure 1 : le capteur de poussière SDS011 mesure la quantité de particules fines avec des DAE de 10 et 2.5µm. -> on réalise une enceinte d’expérimentation avec une boite hermétique du commerce. On la percera pour la relier au SDS011 par un tuyau flexible de diamètre 6mm (on le trouve à 10€ les 5 mètres dans le commerce)
Figure 2 : Le montage expérimental -> préparer les enceintes avec 2 types sources de particules au moins : 1 d’origine naturelle (cône mâle de pin mature, mélange de granulats…) et 1 d’origine anthropogénique : un bâton d’encens. |
| Prérequis | Pour l’enseignant : préparer le nombre suffisant de Modul’éducs et de capteurs SDS011. Le guide de montage devra être imprimé en couleur et distribué aux élèves. Nous recommandons de le plastifier et de le récupérer à la fin de chaque séance.
Pour les élèves, une utilisation préalable des Modul’éduc en classe de sixième est préférable : ils seront familiarisés avec les matériel et son utilisation dans le cadre d’une approche spiralaire des compétences techniques. Télécharger le guide de montage Chaque carte Arduino devra au préalable été programmée à partir du code téléchargeable ici : code sds011 Modul’éduc et de ces 2 bibliothèques qui gèrent : Pour plus d’information sur le téléversement d’un programme dans la carte Arduino, cliquer ici |
| DESCRIPTION DU SCÉNARIO / ACTIVITÉ
Après une rapide remobilisation des acquis sur la qualité de l’air et ses incidences sur la santé humaine, on annonce aux élèves que nous allons travailler un un instrument de mesure des particules fines qui permettra d’évaluer le risque encouru dans la salle de classe. En classe entière, les élèves travaillent par groupe de 3 maximum. On distribue un Modul’éduc par groupe avec la fiche d’activité. Les élèves sont amenés en premier à travailler sur le capteur SDS011 : quelle est sa fonction, quelle est son principe de fonctionnement? Les élèves sont ensuite invités à assembler l’instrument. On en profite pour faire des rappels sur les fonctions techniques des différents composants et sur la notion d’instrument de mesure. La précision de l’instrument est de ±10µg/m³ (on en profite pour revenir sur les acquis de cycle 3 sur la précision d’un instrument). ex : la température On distribue ensuite la fiche de montage aux élèves, puis on les accompagne étape par étape pour réaliser le montage en commençant par l’inventaire des connecteurs rangés dans la boite. Une fois les montages réalisés, les élèves sont autorisés à alimenter leur instrument en le branchant au port USB d’un ordinateur. Les élèves ouvrent l’IDE Arduino et paramètres leur carte, ils doivent intégrer les bibliothèques (si ce n’est pas encore fait (voir tuto « programmer une carte Arduino« ). On les amène à trouver la partie du code qui va contrôler la fonction alarme. Quand un buzzer est connecté aux broches 9 et and de la carte, il va sonner quand la fonction alarme est appelée dans la boucle. l’appel à la fonction alarme est une condition While (tant que) que l’on trouve à la ligne 235 :  Le code contient en commentaire des instructions destinées aux élèves (lignes 229 à 232). Ils doivent décommenter les lignes 235 et 236 en supprimant les double slashs (//), puis définir la valeur seuil qui fera sonner l’alarme en s’aident du tableau dans la fiche d’activité. Au final, si on veut que l’instruments sonne quand la qualité de l’air devient mauvaise (seuil de PM10 = 50 µg/m³), les lignes devront ressembler à cela :
while (pm10>50) {
alarme();}
Ce qui signifie : tant que les pm10 dépassent 50 µg/m³, appelle la fonction alarme qui fait sonner le buzzer. Les élèves compilent, puis télévisent le code dans la carte avant de commencer à expérimenter.
Les élèves sont amenés à tester plusieurs sources de poussières :
1. Dans un premier temps, ils testent le capteur en secouant leurs vêtements au dessus du tube d’aspiration. C’est une approche ludique, quel est le groupe qui fera le plus de poussières ?
2. Avec l’enceinte, on teste la production de PM « naturelles » avec des cônes de pins mâles si c’est la période de pollinisation ou tout simplement avec des granulats au fond de la boite. On obtient une augmentation des PM10 et dans une moindre mesure des PM2.5. A ce stade, non peut se rappeler qu’il suffit de débrancher le fil relié à la borne 9 pour éteindre les buzzers ;-)…
3. Enfin, on fait bruler de l’encens dans l’enceinte pour produire des PM anthropogéniques. On constate que rapidement le capteur sature et que la boite est remplie de PM10 et PM2.5.
 L’élève constate que la combustion produit beaucoup de PM2.5 qui sont les plus dangereuses pour la santé. Un document d’accompagnement permettra d’expliquer que les muqueuses arrêtent assez bien les PM10 naturelles, que les PM2.5 atteignent les bronches et que les particules plus petites vont jusqu’aux alvéoles et au sang pour les nanoparticules, c’est une question d’évolution !
 Enfin, les élèves sont amenés à réfléchir à l’origine des particules les plus dangereuses et sur les comportements collectifs à adopter pour limiter leur production.
A l’aide des sites régionaux de surveillance de la qualité de l’air, ils réalisent le diagnostic des zones les plus polluées de leur académie, en lien avec l’urbanisation et les réseaux routiers.
La dernière activité est à réaliser à la maison, l’objectif est d’identifier la cause de 3 hot-spots de PM10 dans les environs de la commune du Luc.
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| GESTES TECHNIQUES ET EXEMPLES DE RÉSULTATS OBTENUS |
PISTES D’ÉVALUATION
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| CONCLUSION – OUVERTURE – ESPRIT CRITIQUE |
| LIENS |
| AirCarto
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