En route vers la transition énergétique !

Les contextes géodynamiques de la géothermie en classe inversée - Terminale S Un TP générique et modulable

Autour des occurrences de la géothermie dans le monde, cet article présente un dispositif de classe inversée testé en Terminale S en insistant sur l’autonomie, la production de ressources et le travail collaboratif au sein d’une classe. Il s’agit aussi d’évaluer la pertinence du dispositif, son efficacité, et de repérer les difficultés que les élèves peuvent rencontrer dans ce type de pédagogie. Pour finir, on porte un regard rapide sur des exercices de l’épreuve écrite du bac afin de se demander si, dans sa trilogie (avant-pendant-après), la séquence inversée aura fourni un cadre d’apprentissage efficace.
Parmi les outils en ligne permettant de pratiquer la classe inversée, on retient ici les murs virtuels de communication, dont le point fort est le mode collaboratif : le mur devient un outil pour élaborer une production à plusieurs mains.


- Liaison avec le programme et place dans la progression
- Problème à résoudre
- Notions, savoir-faire, compétences
- Outils numériques et ressources

- Déroulement de la séquence
- Retour des impressions des élèves
- Analyse et évaluation du dispositif

Professeur expérimentateur

Anne FLORIMOND, au lycée Richelieu à Rueil-Malmaison (92)

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné Terminale S
Partie du programme : Thème 2A : Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
PLACE DANS LA PROGRESSION
La séquence proposée peut se prêter à une entrée directe dans le thème 2A, ou bien, au contraire, clôturer ce thème.
MOTIVATION DU CHOIX DE LA SEQUENCE A INVERSER
De manière plus ou moins officieuse, les propriétés thermiques de la Terre ont été entrevues en classe de Première S (Thème 1B) à propos de deux contextes : les points chauds et l’axe des dorsales, avec en particulier la signature tomographique de ces dernières. Le magmatisme de subduction aura été abordé dans le thème 1B de Terminale S. Tous les feux semblent donc au vert pour la digestion, avant la classe, d’un document synthétique relatif aux trois contextes géodynamiques globaux de la géothermie. Les élèves peuvent ainsi être réactifs au moment de l’investigation de toute zone du globe dont l’homme fait une exploitation géothermique.

PROBLEME A RESOUDRE
Dans son 5ème rapport d’évaluation sur le changement climatique, publié en 2014, le GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) insiste sur la nécessité d’agir pour contenir le réchauffement climatique et suggère que 80 % de l’approvisionnement énergétique soit couvert par des énergies renouvelables à l’horizon 2050.
Dans un certain nombre d’endroits du globe, la transition énergétique est déjà réalisée par le biais de la géothermie. De l’énergie géothermique y est prélevée pour couvrir tout ou partie des besoins énergétiques, y compris pour la production d’électricité. Par contre, d’autres endroits n’offrent pas du tout cette possibilité.
On veut identifier le contexte géodynamique favorable à la géothermie dans un endroit X du globe réputé pour son potentiel géothermique.

NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, COMPETENCES
Notions Extrait du Bulletin officiel spécial n° 8 du 13 octobre 2011 :
" À l’échelle globale, le flux fort dans les dorsales est associé à la production de lithosphère nouvelle ; au contraire, les zones de subduction présentent un flux faible associé au plongement de la lithosphère âgée devenue dense. La Terre est une machine thermique. L’énergie géothermique utilisable par l’Homme est variable d’un endroit à l’autre.".
Savoir-faire Communiquer et exploiter des résultats
Saisir des informations, mutualiser et élaborer des productions (= collaborer en ligne sur un mur commun)
Compétences Exploiter un grand nombre de ressources pour résoudre une situation-problème
Travailler de manière autonome
Collaborer au sein d’un groupe
Argumenter, utiliser et enrichir un tableau synoptique.
Exploiter et synthétiser des informations
ACTIVITE
Durée :
- avant la classe : environ 1h30
- en présentiel : 1h30 de TP
- après le classe : environ 1h30 de travail collaboratif
- Durée totale : environ 4h30
Coût : 0 euros Sécurité : RAS

Outils numériques et ressources
Sous l’angle des SVT :
- Logiciel Educarte->http://www.edusismo.org/docs/outils/educarte/index.htm] de visualisation de données géodésiques et géologiques

- Logiciel de tomographie sismique V1 ou V2


- Microscope polarisant , échantillon et lame mince anonymée d’une roche volcanique prélevée dans la zone X

Sous l’angle de la classe inversée :

- Un générateur de QCM (ici, l’outil Google Forms de Google documents)

- Un premier Padlet, paramétré en mode lecture, contenant un synopsis de la séquence inversée et incluant les ressources à découvrir avant la classe.

- Un deuxième Padlet, paramétré en mode publication, où les élèves peuvent déposer leurs productions par binômes et découvrir celles de leurs pairs. Ce mur est donc destiné au travail de mutualisation.

- Un troisième Padlet, paramétré en mode modérateur, destiné au travail collaboratif après la classe.

Déroulement global de la séquence

Déroulé de la séquence inversée

Ce déroulement global est visible sur un premier mur virtuel, pour lequel les élèves n’ont pas de droit d’écriture.

Synopsis de la séquence inversée "Contextes géodynamique de la géothermie" et des ressources accessibles à partir d’un Padlet publié quelques jours avant la séance de TP

Déroulement détaillé de la séquence

Avant la classe

Les ressources avec lesquelles il s’agit de se familiariser avant la séance sont les suivantes :

  1. Un tableau présentant les trois grands contextes géodynamiques de la géothermie et leurs caractéristiques
    Contextes globaux de la géothermie
  2. Une fiche technique du logiciel Educarte, pour élèves "néophytes" (il ne s’agit donc pas de la fiche technique fournie le jour de l’ECE). Il est conseillé aux élèves, dans la mesure du possible, de se procurer le logiciel et d’en faire la prise en main technique avant le TP.
    Fiche technique - Prise en main du logiciel Educarte
  3. Un rappel sur la méthodologie de construction du vecteur-vitesse de déplacement d’une balise GPS
    Principe de la construction d’un vecteur-vitesse
  4. Des révisions à mener en autonomie sur tout ce qui touche à la tomographie sismique (programme de 1S dans le thème 1B).

Ces ressources sont accessibles à partir du mur virtuel auquel les élèves ont accès plusieurs jours avant la séance :

Fait avec Padlet
Focus sur le paramétrage des Padlets
Trois paramétrages sont proposés pour un Padlet :
- en mode lecture, les utilisateurs peuvent lire les posts et télécharger les ressources attachées aux posts. Ils ne peuvent pas déplacer les posts, ni les modifier, ni les supprimer, ni ajouter de nouveaux posts. Cette solution est adaptée à la découverte des ressources à étudier avant la classe.
- en mode publication, les utilisateurs peuvent ajouter de nouveaux posts et y lier des fichiers, mais ils ne peuvent toujours pas déplacer les posts des autres, ni les modifier, ni les supprimer. C’est la solution prudente quand on souhaite que les élèves publient leurs propres productions sans interférer avec celles des autres, tout en leur offrant la possibilité de visualiser voire de télécharger les travaux déposés par d’autres élèves.
- en mode modération, les utilisateurs ont des droits supplémentaires pour modifier et/ou approuver les posts des autres. C’est l’option à choisir pour un travail collaboratif.
Il est à noter qu’à partir de 2018, Padlet devient payant à partir d’un certain nombre de murs déjà détenus.
D’autres solutions existent : un ENT comme monlycee.net (voir article sur ce site) propose différentes applications dont le mur collaboratif.

Test de vérification

Un QCM est proposé pour repérer les éventuelles difficultés des élèves à la suite de ce qui est donné à étudier avant la classe.
Ce questionnaire a été généré à partir de l’outil « Forms » de Google Docs. Il est nécessaire de disposer d’un compte google ou gmail pour créer ce document. Les élèves quant à eux accèderont au QCM en se loguant avec leur propre compte.
Remarque : de mutiples outils existent pour créer des QCM en ligne. On peut citer Netquizweb, Socrative, edu-quiz et enfin l’outil académique Edu-sondage.

Pendant la classe

La "zone X" de la problématique est "désanonymée" et on propose aux élèves des études de cas relatives à des zones précises du globe. Les élèves ont toute liberté en ce qui concerne le format de la communication des résultats de leur recherche. Bien entendu, ils peuvent, une fois que leur production est postée, examiner les productions de leur pairs.
Avant de diriger chaque groupe d’élèves vers une étude de cas, il peut être intéressant d’élaborer de manière collective (en s’inspirant, encore une fois, des ressources à lire avant la classe) une stratégie pour identifier l’origine du potentiel géothermique d’une zone X  :

Exemple de stratégie "générique" c’est-à-dire valable quelle que soit la zone X...
- Traiter les données GPS des stations appropriées pour déterminer les mouvements relatifs des plaques ;
- Afficher la distribution des foyers des séismes ;
- Réaliser une coupe tomographique pour localiser les anomalies thermiques du manteau ;
- Identifier la roche volcanique produite ;
- Comparer les résultats obtenus à ceux prévus dans tel ou tel contexte géodynamique pour identifier le contexte.

Ci-dessous, la liste des cas proposés. Elle est volontairement différente des cas rencontrés dans la banque publiée de sujets d’ECE (à l’exception de l’Islande, un exemple incontournable pour lequel on jouera alors sur la contextualisation). Bien entendu, cette liste est amenée à être modulée et/ou enrichie d’une classe à une autre ou d’une année à la suivante.

CAS CONTEXTUALISATION
Géothermie aux Canaries L’archipel des Canaries est quotidiennement balayé par les vents ce qui lui permet de faire le plein d’énergie vertes par le biais des éoliennes. Mais les allusions à la géothermie ne manquent pas sur les îles de l’archipel. À Lanzarote, le restaurant el Diablo utilise la chaleur d’un volcan pour réaliser des grillades !
On veut identifier le contexte géodynamique à l’origine du potentiel géothermique des Canaries.
Géothermie à Bouillante De nombreuses personnes affluent en Guadeloupe afin de profiter de son climat tropical, de ses plages et de ses sèk sèk1. Mais beaucoup ignorent que l’île est pionnière en France dans le domaine de l’exploitation d’énergie géothermique. La commune de Bouillante, située à 15 km du volcan de la Soufrière, héberge la première centrale géothermique française productrice d’électricité. La centrale de Bouillante représente actuellement 5 % de la production électrique de la Guadeloupe et contribue à 1% de la production mondiale d’électricité à partir de la géothermie.
1en créole, petit verre de rhum sec ...
On veut identifier le contexte géodynamique à l’origine du potentiel géothermique de la Guadeloupe.
Géothermie en Islande Deux étudiants en voyage en Islande découvrent au sud du pays, à Reykir, l’existence d’une bananeraie ! Les bananes y sont cultivées sous serre à une température comprise entre 20 et 25 °C grâce à la géothermie. De nos jours, la géothermie satisfait 70% des besoins énergétiques de l’île.
Avant leur voyage, les deux étudiants se sont documentés. S’ils s’accordent sur l’idée que l’Islande a un immense potentiel géothermique, ils ne sont pas d’accord sur l’origine de ce potentiel. Le premier étudiant affirme que l’Islande est située sur l’axe d’une dorsale, tandis que le second pense que l’Islande est située à l’aplomb d’un point chaud.
On veut montrer que les étudiants ont tous les deux raison.
Géothermie à Hawaii L’archipel américain des îles Hawaii s’est fixé comme objectif de s’affranchir des énergies fossiles d’ici 2045. Actuellement, l’usine géothermique de Pahoa, implantée à Puna sur la plus grande île de l’archipel, satisfait 20% de la consommation d’électricité des îles.
On veut identifier le contexte géodynamique à l’origine du potentiel géothermique des îles Hawaii.
Géothermie en Nouvelle-Zélande Depuis l’arrivée des premiers colons Maori, les habitants de Nouvelle-Zélande ont exploité la géothermie pour cuisiner et se chauffer. En 1958, à la suite de plusieurs années sèches défavorables au secteur de l’hydro-électricité, le pays décide de démarrer l’exploitation de la géothermie pour l’obtention d’énergie électrique. De nos jours, 13 % de l’électricité de la Nouvelle-Zélande provient de ressources géothermiques et la Nouvelle-Zélande est le 4e producteur mondial d’électricité géothermique.
On veut identifier le contexte géodynamique à l’origine du potentiel géothermique de la Nouvelle-Zélande.

Ci-dessous, les productions publiées par les élèves sur le deuxième Padlet, le jour du TP :

Fait avec Padlet

Après la classe

Chaque binôme ayant consacré son temps de travail à un seul cas pendant le TP, il s’agit désormais de collaborer autour des différentes études de cas qui ont été mutualisées lors du TP.
La consigne donnée est de se regrouper par équipe d’élèves ayant étudié des cas différents afin de produire un tableau synthétique qui résume l’argumentation, et donc l’identification du contexte géodynamique, pour chaque cas. On passe donc d’une phase de travail par binôme pendant la classe à une phase de travail par équipe (c’est-à-dire plus de 2 élèves, ici au maximum 10) après la classe.

Trame de tableau synoptique pour la collaboration

Ci-dessous, les posts des élèves sur le troisième Padlet, dédié au travail collaboratif :

Fait avec Padlet

RETOURS ET IMPRESSIONS DES ELEVES

Après la clôture de la séquence inversée, un questionnaire a été proposé pour connaître le ressenti des élèves. J’avais déjà pratiqué à plusieurs reprises la classe inversée avec les deux classes de Terminale S, sur différents points du programme, parfois plus volumineux.
Les réponses, recueillies sur la base du volontariat, représentent environ 65% de l’effectif des élèves (46 réponses sur les 72 élèves ayant participé à cette classe inversée).
Si la tendance qui se dégage est la motivation et l’adhésion des élèves face à ce type de pédagogie à laquelle ils adhèrent de manière bienveillante, on verra qu’ils ne manquent pas de souligner les limites du cadre d’apprentissage qu’on leur a proposé.

Aucun élève n’a rencontré de difficultés pour accéder aux ressources. Les élèves étaient probablement habitués à ce mode d’accès que leur professeur avait utilisé en routine dans l’année.

Un majorité d’élèves a trouvé utile d’anticiper le travail. Une poignée d’élèves se montre néanmoins plus sceptique. Peut-être parce que le tableau synthétique résumant les trois grands contextes ne faisait que rassembler des données plus ou moins déjà vues ?

Dans leur grande majorité, les élèves ont trouvé que les attentes étaient assez claires. J’avais pris la précaution de reproduire, sur Pronote, la planification du travail présenté sur le premier Padlet, avec des dates à respecter.

Dans leur grande majorité, les élèves ont apprécié la visibilité du planning. Encore une fois, la béquille Pronote a peut-être été utile.

Bilan en demi-teinte. Le travail en équipe ne suscite pas l’adhésion de tous. Environ 10% des élèves ne l’ont pas trouvé profitable. Les réponses détaillées des élèves (voir ci-dessous) révèleront après-coup leurs difficultés à interagir pour le travail collaboratif.

La perception de l’aspect collaboratif du travail est bien présente chez les élèves, mais à des degrés divers.

Bilan plutôt positif. Seule une minorité d’élèves n’a pas trouvé d’intérêt à cette séquence inversée. Les "bonnes notes" (4 ou 5) sont données par plus de la moitié des élèves.

Sans être un triomphe, c’est un bilan qui encourage à renouveler ce genre de pratique. Les élèves sont assez unanimes sur l’aspect positif de l’expérience qu’ils ont vécue.
Quels ont été les avantages de ce type de séance, selon vous ?

Les réponses des élèves mettent en avant différents avantages :
- la liberté que procure le travail avant la classe sur le plan du temps à y consacrer et du moment choisi pour le faire : respect des rythmes individuels ;
- le fait de travailler en équipe avec une liberté de choix ;
- le fait de produire des ressources collaboratives ;
- la réalisation d’un travail qui leur parait approfondi ;
- le gain de temps réalisé par le professeur, et donc par les élèves, dans l’avancement du programme.

Quels ont été les inconvénients de ce type de séance, selon vous ?

Les réponses des élèves révèlent trois familles d’inconvénients :
- une charge trop importante de travail personnel ;
- la contrainte d’assimiler seul le cours, sans l’aide du professeur ;
- la difficulté à produire le travail collaboratif, sans que les répondants n’en explicitent les raisons. Problème techniques ? Problèmes relationnels ? Mauvaise communication entre pairs ?

ANALYSE DU DISPOSITIF
Plus-values dégagées Je suis tout à fait convaincue de l’investissement assez fort des élèves pour ce genre de pratique pédagogique. La sensation de liberté ressentie par les élèves est clairement exprimée, tout comme le sentiment de travailler d’une manière relativement agréable.
Concernant l’inversion, la transmission de notions avant la classe permet aux élèves de construire et d’approfondir leurs connaissances sur un fait scientifique précis et d’arriver en classe avec un bagage notionnel suffisant pour pouvoir rapidement se mettre en activité. Ce dispositif inversé permet une bonne implication en classe pour la plupart, lors des phases de réflexion ou lors de la réalisation des manipulations et enfin lors de la phase de communication.
L’élève fragile est ramené au même niveau que le "bon" élève en début de séance. L’hétérogénéité est donc théoriquement réduite.
Lorsque le professeur a beaucoup de contenu à transmettre, le fait de déplacer avant la classe ces notions libère du temps pour la mise en activité et l’acquisition des savoirs-faire et des savoirs-être. Enfin, la réflexion et l’analyse retrouvent également toute leur place.
Concernant la collaboration, le travail par équipe sur un mur collaboratif permet aux élèves de s’enrichir des réflexions des uns et des autres. Ils construisent ainsi des productions plus abouties et réfléchies. Là aussi, le statut de l’erreur peut changer, car il est possible pour l’élève de se tromper et d’être corrigé par un de ses pairs.
Difficultés rencontrées Les point faibles qui ressortent sont la densité du travail à fournir sans la présence du professeur ainsi que la faisabilité du travail collaboratif. Il est vrai que les productions déposées sont, pour certaines, décevantes, en regard des dépôts qui avaient réalisés lors du TP et que j’avais pourtant commentés.
Une explication possible est que le vrai moment collaboratif a été déporté après la classe, à un moment de l’année (j’ai abordé ce thème en dernier) où les élèves se voyaient moins et étaient sortis du contexte et de la thématique. Certains ont d’ailleurs fait remarquer que la période choisie n’était pas propice à ce genre de travail.
Pistes d’amélioration Il pourrait être intéressant de laisser aux élèves davantage de temps pour la réalisation du travail collaboratif afin qu’ils puissent réellement interagir et communiquer entre eux. De plus, des aides à l’organisation de la collaboration (discussion autour de la manière de faire pour remplir le tableau synthétique) pourraient être proposées.
Pour éviter que le travail collaboratif ne soit galvaudé, une solution (réalisable dans le cas où le TP dure deux heures) serait de mettre les élèves en équipe dès le début, qu’ils aient l’ensemble des cas et se les répartissent, et que l’objectif de la séance soit le tableau synthétique, à rendre à la fin. Une autre solution, plus chronophage, serait que l’heure en classe entière suivante soit consacrée à ce tableau.
Enfin, un accompagnement (léger !) pour la prise en main des ressources à découvrir avant la classe semble s’imposer.

Des prolongements possibles ...

Dans les annales de l’épreuve écrite du bac S, deux exercices retiennent l’attention en terme de réinvestissement de ce qui vient d’être vu. Il peut être très intéressant de les proposer aux élèves :

  1. Exercice type 2-1 : l’Islande, île de la géothermie (sujet métropole, septembre 2014)
    Dans cet exercice, le document 1 livre différents indices utiles pour reconnaitre en Islande un contexte de dorsale propice à la géothermie. Le document 2 quant à lui (étude du manteau sous l’Islande par tomographie sismique) est particulièrement intéressant puisqu’il permet le repérage de deux profondeurs différentes d’anomalies négatives de vitesse des ondes sismiques dans le manteau, respectivement ancrées à environ 400 km et environ 2500 km de profondeur. Les élèves, qui auront déjà pratiqué la tomographie sismique sous l’Islande (ou qui l’auront observée lors du travail collaboratif) en comparant une coupe faite sous l’Islande et une coupe témoin sous l’axe d’une dorsale, se voient à nouveau confrontés à la dualité des contextes (axe de dorsale + point chaud) expliquant le fort potentiel géothermique de l’Islande (d’aucuns se souviendront qu’on y cultive des bananes !). Pour approfondir l’interprétation de la tomographie du manteau sous l’Islande, on peut envisager la lecture du paragraphe "tomographie" de l’article de Hervé Bertrand : "L’Islande, une interaction point chaud - dorsale" (Planet-Terre)
  2. Exercice type 2-2 : Géothermie au Japon (sujet métropole, septembre 2015)
    Dans cet exercice, le corpus de documents proposés correspond aux différents arguments vus en TP pour identifier un potentiel géothermique typique d’une zone de subduction. On retrouve assez facilement, à l’instar des études menées en Guadeloupe et en nouvelle-Zélande, le famille de marqueurs associés à ce contexte : une convergence de deux plaques, un volcanisme andésitique, un plan de Wadati-Benioff et une double anomalie thermique (zone anormalement froide associée à la plaque plongeante versus zone anormalement chaude associée à l’arc volcanique) dans le manteau.

NOTES

Auteur de cet article : Anne FLORIMOND, professeur de SVT au lycée Richelieu (Rueil-Malmaison), professeur formateur co-animant avec Isabelle Digard le stage "La pédagogie du modèle en SVT au lycée" (PAF académie de Versailles) et professeur associé aux travaux de recherche de l’Institut Français de l’Education (équipe Acces, groupe "Immunité et vaccination").
Remerciements à Mélanie Fenaert et Laurent Guerre pour leur expertise et leurs conseils.

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