Université dété de Saint Flour jeudi 24 août 2006 Thèmes de convergence et enseignement scientifique.

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1 Université dété de Saint Flour jeudi 24 août 2006 Thèmes de convergence et enseignement scientifique

2 « Cette démarche vise aussi à faire prendre conscience de ce que la science est plus que la simple juxtaposition de ses disciplines constitutives et donne accès à une compréhension globale dun monde complexe, notamment au travers des modes de pensée quelle met en œuvre. » B.O., 25 août 2005

3 1. Convergences… 2. A la recherche du sens 3. La spirale pluridisciplinaire

4 « Une ménagère décide de faire réparer ses robinets qui fuient, pendant que ses enfants cessent de laisser couler leau lorsquils se lavent les dents et que son mari, agriculteur, choisit des cultures peu gourmandes en irrigation. La famille compte ainsi économiser 217 litres deau par jour… Combien faut-il de familles faisant les mêmes gestes pour satisfaire aux objectifs fixés par le gouver- nement déconomiser 3 milliards de litres deau par jour ? » (campagne nationale du 16 juillet au 22 août) Un exemple :

5 « Les objectifs fixés par le gouvernement déconomiser 3 milliards de litres deau par jour sont censés correspondre à la consommation quotidienne de Paris… Sachant que cette consommation est en moyenne de 615 000 mètres cubes, par quel facteur le ministère de lenvironnement a-t-il multiplié les chiffres ? » ou encore :

6 « Les objectifs fixés par le gouvernement déconomiser 3 milliards de litres deau par jour sont censés correspondre à la consommation quotidienne de Paris… » Trouve dans le site : http://www.sagep.fr/cgi/bo_accueil.php les informations qui te permettront de vérifier de telles affirmations… » ou bien (en version tice) :

7 « Les objectifs fixés par le gouvernement déconomiser 3 milliards de litres deau par jour sont censés correspondre à la consommation quotidienne de Paris… » Trouve dans le site : http://www.sagep.fr/cgi/bo_accueil.php les informations qui te permettront de vérifier de telles affirmations… » ou bien (en version tice) :

8 « A lissue de ses études au collège, lélève doit sêtre construit une première représentation globale et cohérente du monde dans lequel il vit. Lélaboration de cette représentation passe par létude de sujets essentiels pour les individus et la société. » (août 2005) « Ce que lélève doit emporter de lécole avec le petit bagage de notions pratiques déterminées par la loi, cest un ensemble de facultés exercées, un esprit juste, un cœur droit, […]. Mais ce qui reste des études bien faites, cest un jugement éclairé et sain, un cœur ouvert aux sentiments élevés, lamour du travail et des vertus domestiques, force et sauvegarde des familles et des nations. » (1882)

9 Jadis : « Pour faire de la boisson, une personne a acheté 5 kg. de raisin sec à 0 fr. 40 le kg., 2 kg. 5 de pommes tapées à 0 fr. 70 le kg. et 0 kg. 8 de genièvre à 0 fr. 55 le kg. Cette personne ayant mis 100 litres deau dans son tonneau, à combien lui revient le litre de cette boisson ? »(1887) « Un nombre limité de thèmes ont été choisis dans cet esprit […] en tentant dassocier des thèmes relevant de la culture scientifique à proprement parler et des thèmes ayant une portée dapplication directe, mais reposant sur des bases scientifiques. » « Un ouvrier consomme tous les jours de leau de vie pour 0fr25, il dépense en outre 1fr75 au cabaret tous les dimanches, mais sa femme et ses enfants sont presque nus. Il leur suffirait dune somme de 72fr pour se vêtir convenablement. Combien de jours cet ouvrier mettrait-il à économiser cette somme en sabstenant de liqueurs alcooliques ? » (1920) Naguère : On estime quune hirondelle détruit 50 chenilles par jour. On considère que chaque couple dhirondelles a 8 petits dont 2 ne survivent pas. Evalue le nombre de chenilles qui pourraient être détruites par 5 couples et leurs petits pendant un jour, puis pendant un mois de 30 jours. Hier : Aujourdhui : « On sait tous quil y a des années à moustiques et dautres sans, des années à coccinelles et dautres sans ! On se propose détudier lévolution dune population animale à laide dune fonction numérique f définie par ƒ(x) = kx(1 – x), k étant un paramètre réel qui dépend de lenvironnement. Dans la suite on sintéresse à la population de coccinelles… ( Banque d'exercices TS : n° 18 ) 2003 - 2004

10 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » thèmes de convergence

11 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » santé sécurité mode de pensée statistique dans le regard scientifique sur le monde météorologie et climatologie environnement et développement durable énergie thèmes de convergence

12 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » santé sécurité mode de pensée statistique dans le regard scientifique sur le monde météorologie et climatologie environnement et développement durable énergie thèmes de convergence

13 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » sécurité mode de pensée statistique dans le regard scientifique sur le monde météorologie et climatologie environnement et développement durable énergie thèmes de convergence santé tabagisme alcool & drogues obésité Maladies MST Régul. naissances

14 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » sécurité mode de pensée statistique dans le regard scientifique sur le monde météorologie et climatologie environnement et développement durable énergie thèmes de convergence santé tabagisme obésité Maladies MST Régul. naissances alcool & drogues Un ouvrier consomme tous les jours de leau de vie pour 25 euros, il dépense en outre 175 euros au cabaret tous les dimanches, mais sa femme et ses enfants sont presque nus. Il leur suffirait dune somme de 720 euros pour se vêtir convenablement. Combien de jours cet ouvrier mettrait-il à économiser cette somme en sabstenant de liqueurs alcooliques ?

15 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » sécurité mode de pensée statistique dans le regard scientifique sur le monde météorologie et climatologie environnement et développement durable énergie thèmes de convergence santé tabagisme obésité Maladies MST Régul. naissances alcool & drogues

16 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » sécurité mode de pensée statistique dans le regard scientifique sur le monde météorologie et climatologie environnement et développement durable énergie thèmes de convergence santé tabagisme Maladies MST Régul. naissances alcool & drogues obésité Un collégien consomme tous les jours du coca- cola représentant 250 calories, il mange en outre 7 gâteaux au chocolat pour 30 calories chacun, mais il ne fait aucun exercice physique. Pour compenser, il lui suffirait de courir 7 km chaque jour. Combien de calories ce collégien pourrait-il consommer sans risques sil courait 10 km par jour ?

17 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » sécurité mode de pensée statistique dans le regard scientifique sur le monde météorologie et climatologie environnement et développement durable énergie thèmes de convergence santé tabagisme obésité Maladies MST Régul. naissances alcool & drogues

18 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » santé sécurité mode de pensée statistique dans le regard scientifique sur le monde météorologie et climatologie environnement et développement durable énergie thèmes de convergence

19 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » santé sécurité météorologie et climatologie environnement et développement durable énergie thèmes de convergence physique biologie histoire géographie vie scolaire mode de pensée statistique dans le regard scientifique sur le monde

20 « Les thèmes de convergence se prêtent particulièrement bien à une évaluation, soit dans la discipline, soit dans le cadre dune pluridisciplinarité concertée. » santé sécurité météorologie et climatologie environnement et développement durable énergie thèmes de convergence physique biologie histoire géographie mode de pensée statistique dans le regard scientifique sur le monde vie scolaire Lors des élections de délégués, Anne, Bernard et Carole ont obtenu respectivement 12, 8 et 11 voix. Sachant que 2 élèves ont mis des bulletins nuls, calcule le pourcentage de voix obtenu par chacun des candidats. On tire un bulletin au hasard dans lurne. Quelle est la probabilité pour que ce bulletin soit un bulletin nul ?

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22 collège : La consommation journalière moyenne de la ville de Paris en eau est de 615 000 000 litres. Le débit moyen de la Seine à Paris est de 500 mètres cubes par seconde. Quelle durée faut-il pour que la Seine fournisse un volume deau équivalent à celui de la consommation journalière ?

23 Fin de collège : Dans sa campagne de sensibilisation, le ministère affirme quun robinet qui goutte peut faire perdre 300 litres deau par jour… Sachant quune goutte deau a toujours environ 3 mm de diamètre, combien faut-il voir sécouler de gouttes par seconde pour atteindre la quantité annoncée ?

24 fin de lycée : La consommation deau de la ville de Paris est donnée, en fonction de lheure de la journée, par le graphique ci-dessous. Calculer, à partir de ces données, la consommation journalière.

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29 Simplifier : 123 480 474 320 Calculer : 300 14,13 x 10 – 6 x 24 x 36 x 10 2 Résultat : 0,02457 x 10 4 246 gouttes Résultat : = 2 3 x 3 2 x 5 x 7 3 2 4 x 5 x 7 2 x 11 2 63 242

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36 …les maths modernes … les naturels ne sont plus liés à la mesure des objets du monde physique et, surtout, les opérations sur les naturels ne sont plus tirées des opérations sur les "grandeurs" du monde physique ou de l'univers quotidien telles que longueurs, poids, prix, capacités. » « La multiplication est une opération commutative. Les Instructions de 1945 parlent en plusieurs endroits de "nombres concrets". Cette expression, qui est proprement antinomique, car un nombre ne saurait être concret, a porté grand tort à la commutativité de la multiplication. Il n'y a pas à distinguer multiplicande et multiplicateur ; si on les distingue souvent, c'est parce qu'on pense plus à ces "nombres concrets", 3 sacs de 7 oranges, 15 barriques de 228 litres, qu'à des nombres. L'emploi de ces mots ne se justifie pas. »

37 « […] lacquisition des techniques (numération, opérations sur les nombres,…) nest pas abandonnée. Mais la notion de nombre gagnera à être préparée par des rudiments de grammaire des ensembles et de logique. Les enfants sauront compter et calculer plus tard peut-être que ne limposent les programmes actuels, mais ils le sauront mieux. » APMEP. Charte de Chambéry, octobre 1968 Exemples : importance des structures, mise de laccent sur les divers ensembles de nombres, leur définition et leurs filiations : N, Z, D, Q, R, C, définition de la soustraction et de la division de manière entièrement littérale : « a divisé par b » est le nombre x tel que : b x x = a « On dispose dune planche de 85 cm et on veut faire 6 étagères de même longueur, comment faut-il couper la planche ?

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39 Réel Imaginaire Symbolique

40 chat Combinaison de lettres, etc. Symbolique Imaginaire Concept, connotations, etc.

41 chat Combinaison de lettres, etc. Symbolique Imaginaire Concept, connotations, etc. Réel

42 Signifiant Théorie du langage Ferdinand de Saussure (1916) Référent chat Signifié

43 Réel Imaginaire Symbolique Invention des nombres

44 Invention des nombres Réel Imaginaire Symbolique

45 Invention des nombres Réel Symbolique Imaginaire

46 Invention des nombres Réel Symbolique Imaginaire Formalisme Mots Chiffres Concepts Formes Idées

47 Réel Imaginaire Symbolique Théories physiques

48 Imaginaire Symbolique Réel : expérience Théories physiques

49 Imaginaire Réel : expérience Symbolique : équations Théories physiques

50 Réel : expérience Symbolique : équations Imaginaire : théorie Théories physiques

51 observation Théories génétiques Imaginaire Symbolique

52 observation théorie Théories génétiques Symbolique

53 théorie Théories génétiques codages observation

54 Réel Imaginaire Symbolique Modélisation probabiliste

55 Imaginaire Symbolique Réel : expérience Modélisation probabiliste

56 Imaginaire Réel : expérience Symbolique : le modèle Modélisation probabiliste

57 Réel : expérience Symbolique : le modèle Imaginaire : le pari Modélisation probabiliste

58 Réel équations théorie Connaissance scientifique expérience SymboliqueImaginaire observation mathématisation mesures

59 Réel équations théorie Connaissance scientifique expérience SymboliqueImaginaire mesures instrument protocole ?

60 Réel Symbolique Imaginaire Physique Philosophie Mathématiques

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62 2. Réel Symbolique Imaginaire 2. a Les trois pôles 2. b La déraisonnable efficacité… La physique du tas de sable…

63 Réel Symbolique Imaginaire

64 Barcanes

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66 Hydrologie Réel Symbolique Imaginaire

67 Hydrologie Réel Symbolique Imaginaire

68 Réel Imaginaire Symbolique

69 En mathématiques…

70 Les nombres… La notion dégalité : En mathématiques : a = b ou a b 2/3 0.6666 En physique : 2/3 = 0.6666 ordre de grandeur, différence relative,… En statistiques : 26% = 28 % … et a b 49 % = 51 % ?

71 Les vecteurs… On appelle K-espace vectoriel un ensemble E muni dune loi de composition interne notée + et dune loi externe définie de K x E dans E telles que : a) u + ( v + w ) = ( u + v ) + w b) u + v = v + u c) u + 0 = 0 + u = u d) u + ( -u ) = ( -u ) + u = 0 e) 1.u = u f) a.( u + v ) = a.u + a.v g) (a + b).u = a.u + b.v h) (ab).u = a.(b.u)

72 « la fonction exponentielle en Terminale S… » Les fonctions linéaires…

73 Les volumes…

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78 ? ? ? ?

79 Réel Imaginaire Symbolique Lexemple des statistiques

80 Réel : expérience Symbolique : le modèle Imaginaire : la prévision Lexemple des statistiques Enjeux : - probabilistes - éthiques - scientistes Simulation ?

81 … trois moments de la pensée

82 Réel Symbolique Imaginaire

83 1. Convergences… 2. A la recherche du sens 3. La spirale pluridisciplinaire

84 Que leur idées soient justes ou non, le vocabulaire employé est plus ou moins précis. Il sagira donc de faire évoluer les propos, simultanément sur : la syntaxe employée la précision du lexique largumentation, la différence entre lobservation et ce quon en déduit. Le dessin que lon cherche à construire dans le cadre dactivités scientifiques est un dessin dobservation. Quest-ce quobserver pour des enfants de 2 ou 3 ans ?

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86 La fonction exponentielle

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88 « On sait tous quil y a des années à moustiques et dautres sans, des années à coccinelles et dautres sans ! On se propose détudier lévolution dune population animale à laide dune fonction numérique f définie par ƒ(x) = kx(1 – x), k étant un paramètre réel qui dépend de lenvironnement. Dans la suite on sintéresse à la population de coccinelles… Principes de la modélisation : 1) Vous voyez un énoncé dapparence concrète avec ou sans dessin : ne pas lire le début pour gagner du temps et surtout ne pas être perturbé par les nombres ou les unités. 2) Sil y a un dessin il ne faut surtout pas le regarder. Non seulement il ne sert à rien mais il peut lui aussi vous perturber. 3) Guettez lapparition dune équation différentielle… Cest presque gagné : un exercice normal va commencer.

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90 La modélisation… Le spiralaire…

91 Réel Symbolique Imaginaire Mathématiques

92 « Jai 23 billes dont 7 sont bleues. Les autres billes sont noires Combien ai-je de billes noires ? » « Reprenons le problème selon le schéma de la modélisation. » « Le système étudié lensemble des billes que je possède est décrit par trois variables : le nombre total de billes, le nombre de billes bleues, le nombre de billes noires. Les valeurs de ces paramètres définissent un état du système. Nombre de problèmes, élémentaires ou non, sont alors, à linstar de celui-ci, du type suivant : connaissant les valeurs de certaines variables, trouver les valeurs des autres variables. La connaissance de ces dernières valeurs sobtient par la considération des relations qui gouvernent lensemble des variables. »

93 Contre-réforme de 1985 « … La pulsion empiriste, […] se traduit […] par une poussée vigoureuse du numérique, par léparpillement et lévanouissement de lapprentissage des outils algébriques, par linsistance naïve sur le concret, et par le recours constamment réaffirmé à des activités dont lenseignement cherchera, à bon droit, mais fréquemment en vain, la substance. » La recherche dont nous rapportons ici quelques étapes vise précisément à accomplir ce travail de renoncement à ce qui est mort et bien mort : car il est des morts qu'il faut encore tuer. […] Le mot d'ordre est ici celui de la modélisation mathématique… »

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96 parabole sinusoïde

97 parabole

98 sinusoïde parabole

99 sinusoïde parabole

100 sinusoïde parabole

101 sinusoïde parabole

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108 « la chute des corps avec frottement… » « force de frottement proportionnelle à la vitesse… » y = g y = g – k y y = g – k [y] 2 ? « force de frottement proportionnelle au carré de la vitesse… »

109 La modélisation… Le spiralaire…

110 théorie Théories génétiques hélice et codes observation

111 Espèces Théories génétiques langage réel « Ressemblances » imaginaire

112 Espèces Théories génétiques langage réel « Hybridation » imaginaire LOIS de Mendel

113 LOIS de Mendel Génotypes Théories génétiques langage réel « Caractères » imaginaire

114 Cariotypes Théories génétiques langage réel « Génotypes » imaginaire

115 Théories génétiques langage réel Chiasmas et Génotypes imaginaire

116 = e n e n Théories génétiques langage réel Molécules et orbitales imaginaire

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120 Réel Symbolique Imaginaire

121 Réel Symbolique Imaginaire

122 Réel Symbolique Imaginaire

123 Réel Symbolique Imaginaire

124 Réel Symbolique Imaginaire

125 Réel Symbolique Imaginaire

126 Réel Symbolique Imaginaire

127 Réel Symbolique Imaginaire

128 Réel Symbolique Imaginaire

129 Réel Symbolique Imaginaire

130 Réel Symbolique Imaginaire

131 Réel Symbolique Imaginaire

132 Réel Symbolique Imaginaire =

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134 Sur 47 patients qui ont bénéficié dune saignée, 18 sont morts. 1) Combien en reste-t-il ? 2) Quel est le pourcentage de survivants ? « Damien a la grippe. Pour le soulager, sa grand-mère lui fait une infusion. Pour cela, elle mélange 20 grammes de romarin qui coûte 0,02 euros le gramme avec 3 feuilles de menthe de son jardin pesant 9,6 grammes. Quel est le prix du romarin ? » La consommation journalière moyenne de la ville de Paris en eau est de 615 000 000 litres. Le débit moyen de la Seine à Paris est de 500 mètres cubes par seconde. Quelle durée faut-il pour que la Seine fournisse un volume deau équivalent à celui de la consommation journalière ?

135 « Damien a la grippe. Pour le soulager, sa grand-mère lui fait une infusion. Pour cela, elle mélange 20 grammes de romarin qui coûte 0,02 euros le gramme avec 3 feuilles de menthe de son jardin pesant 9,6 grammes. Quel est le prix du romarin ? » Problèmes métaphoriques

136 « Damien a la grippe. Pour le soulager, sa grand-mère lui fait une infusion. Pour cela, elle mélange 20 grammes de romarin qui coûte 0,02 euros le gramme avec 3 feuilles de menthe de son jardin pesant 9,6 grammes. Quel est le prix du romarin ? » ROMARIN MENTHE POIDS PRIX UNITAIRES NOMBRES Poids TOTAL du romarin : 20g Poids TOTAL de la menthe : 9.6 g Prix dUN gramme de romarin : 0.02 Nombre TOTAL de feuilles de menthe : 3

137 « On dispose dune planche de 85 cm et on veut faire 6 étagères de même longueur, comment faut-il couper la planche ? »

138 Les ânes de Roddier (Jean-Alain) : Douze ânes paissent lherbe de 3 arpents 1/3 en 4 semaines ; 21 ânes paissent celle de 10 arpents en 9 semaines ; on demande combien il faudra dânes pour manger lherbe de 24 arpents en 18 semaines. daprès Newton (Isaac), 1707. On a trois prés dune qualité égale, et dans lesquels on suppose que lherbe croît uniformément. Le premier b peut nourrir un nombre dânes a pendant le temps c ; le second e peut nourrir un nombre dânes d pendant le temps f ; on demande combien le troisième g peut nourrir pendant le temps h. Réponse : bdfgh – acegh – bcdgf + acefg befh bceh « 12 ânes paissent lherbe de 3 arpents 1/3 en 4 semaines… » 3 arpents 1/3 12 ânes 3 arpents 1/3 12 ânes 3 arpents 1/3 12 ânes « 36 ânes paissent lherbe de 10 arpents 4 semaines… »

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141 Un bassin se vide à une vitesse de 2.2 litres à lheure, pendant quun robinet le remplit avec un débit de 1.85 litres à lheure. Sachant que le bassin contient initialement 235 litres, au bout de combien de temps sera-t-il vide ? Un bassin se vide à une vitesse proportionnelle à la hauteur deau quil contient. Au bout de combien de temps sera-t-il vidé si la vidange se fait avec un débit qui le vide de 1 cm par seconde au départ Et si la hauteur initiale deau est de 17 cm ?

142 Grandeurs, mesures Vitesses, débits,… Aires, volumes … exponentielle

143 Conclusion ?…

144 tests OCDE (PISA) (15 ans)…

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148 …à suivre

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