Exemple 1 de modélisation numérique en SVT

Travail de Jean Cazes

Exemple 1 de modélisation numérique en SVT

Tester des hypothèses grâce à la modélisation du climat

Tester des hypothèses grâce à la modélisation du climat

Titre Création de modèles numériques du climat
Mots-clés Climat, modèles, outils numériques, codage, programmation, algorithme
Description Réalisation par les élèves de modèles numériques du climat ou d’une de ses mesures grâce à Scratch ou Edu’Modèle
Public ciblé  
Type de ressources  
Type d'établissement Collège
Niveau 3eme
Types d'activités pédagogiques Création numérique, Modélisation, Coopération
Thème Géodynamique externe - Environnement
Sous-thèmes Le climat, sa mécanique / prévision du climat
Partie de programme Thème 1
Sous-partie de programme Expliquer quelques phénomènes météorologiques et climatiques.
Description des objets géologiques  
Logiciels RIP

Edu’Modele (site acad nice)

Scratch (https://scratch.mit.edu/)

Autres logiciels  
Domaines de compétence du B2i  
Services et outils TIC Classe mobile

 

Contexte : En 3eme, à la suite d’un EPI (Physique/SVT/Techno).
 Cet EPI a permis , grâce à la résolution d’énigmes météorologiques par des expériences simples, de mettre en place, collaborativement, les différentes pièces du mécanisme du climat (angle du soleil, mouvement de masse d’air et de masse d’eau, effet de serre, albedo, …)

Consigne : Les élèves, pour tester les hypothèses formulées sur le fonctionnement de “la machine climatique terrestre”  sont invités à concevoir une modélisation numérique du climat de la Terre (ou de phénomènes météorologiques).
Chaque groupe est responsable d’une partie de ce modèle.

Groupe

Thème

Objectif

1

L’intensité de l’ensoleillement par rapport à la date.

Le modèle doit montrer visuellement et /ou numériquement l’intensité de l’ensoleillement si on lui donne une date et une latitude.

Ces valeurs doivent être cohérentes avec des valeurs mesurées en un point du globe.

2

L’effet de serre

Le modèle doit montrer l’effet de la concentration en GES sur la température moyenne de l’atmosphère (et le bilan radiatif de la Terre)

Ces effets doivent être cohérents avec des valeurs mesurées sur Terre ou ailleurs.

3

L’albédo

Le modèle doit montrer les effets de l’albédo des surfaces éclairées de la Terre  sur la température moyenne de l’atmosphère.

Ces effets doivent être cohérents avec des valeurs mesurées sur Terre à différentes périodes de son histoire.

4

Les échanges thermiques par mouvement de masse d’air et de masse d’eau.

En prenant comme entrée l’ensoleillement théorique de l’équateur et des pôles, le modèle doit montrer les effets des mouvement de masse d’air et d’eau sur les écarts de température entre l’équateur et le pôle nord.

Ces effets doivent être cohérents avec des valeurs mesurées sur Terre.

 

 

 

5

L’origine des vents

(!! il s’agit plutôt d’un phénomène météorologique” !!)

Le modèle doit montrer l’origine des vents (direction, intensité) en fonction des Anticyclones et des Dépressions.

Ces effets doivent être cohérents avec une situation météorologique choisie (Carte météo d’archive)

 

Pour réaliser leur modèle numérique les élèves peuvent utiliser Scratch ou Edu’Modèles.Analytique.

 

Scratch

Edu’Modèles Analytique

Avantages

  • Maîtrisé par la majeure partie des collégiens
     
  • Permet des représentations visuelles (ou géographiques par exemple)        
  • Système intuitif comme un logigramme (ou un budget de famille)
     
  • Permet nativement de visualiser un graphique de l’évolution d’une variable

Inconvénients

Tout doit être codé par blocs depuis ‘zéro’

L’application demande un temps de familiarisation

 

Déroulement de la séquence :

  • Rappel des mécanismes découverts (court questionnaire type Kahoot)
  • Présentation de Edu’Modèle analytique au tableau, les élèves devant leurs ordis.
  • Distribution des thèmes aux groupes (différenciation en fonction de la difficulté)
  • Réalisation d’un schéma bilan / diagramme heuristique sur leur sujet pour trouver comment ils vont le coder.
  • 30 min de la séance puis 1h de la suivante pour réaliser le modèle.

 

Exemple de productions d’élèves lors de la première expérimentation de cette séquence (fichier  à décompresser et à ouvrir ensuite avec Edu'Modèle):Modele Role de l'albedo

  • Codé grâce à Scratch (permet également d’apporter des réponses au projet de “panneau photovoltaïque avec suiveur solaire” en technologie )

     
  • Codé grâce à Edu’Modèle Analytique (fichier à télécharger puis à ouvrir depuis la web application )

EduModele_climats

La séquence se termine par une présentation des modèles et une discussion argumentée sur leurs défauts et leurs utilités possibles.

 

Cela permet de faire ressortir que :

  • Modéliser c’est simplifier (Simplification mathématique): Et que donc l’expérimentateur fait des choix qui éloignent le modèle de la situation réelle.
  • Modéliser permet de simuler des hypothèses … mais que pour tester ces modèles … il faut des mesures de terrains et donc des scientifiques qui ont les moyens de partir en mission.
  • Un modèle qui fonctionne est capable de prévoir une variable à venir (Modèle prévisionnel)
  • Faire un modèle qui prendrait en compte toutes les interactions entre les différents sous modèles induirait l’augmentation “exponentielle” de sa complexité :
    évocation des problèmes de quantifications des forçages, ce qui explique l’existence de plusieurs modèles pour une même théorie. 

(Comparaison des prévisions de différents modèles météorologiques)

  • (optionnel : “Ah !!! Mais ça sert à ça les maths en fait !!” )

 Amélioration possible :

  • Faire réaliser un logigramme ou une représentation de l’algorithme sur papier avant ( le schéma bilan papier ne suffit pas )
  • Fournir davantage de valeurs chiffrées.
  • Augmenter la différenciation, plus d’aide et coups de pouce pour certains groupes.
  • Faire des tutoriaux en vidéo et donner des entraînements préparatoires simples à faire en classe inversée pour Edu’modèle analytique