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Ce programme-cadre est destiné aux écoles de langue française; il remplace Le curriculum de l’Ontario de la 1re à la 8année – Sciences et technologie (2007). À partir de septembre 2022, tous les programmes de sciences et technologie de la 1re à la 8année seront fondés sur les attentes et les contenus d’apprentissage présentés dans ce programme-cadre.

elementaire

Sciences et technologie (2022)

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Démarches scientifiques et processus de design en ingénierie

En plus d’acquérir des connaissances liées à des concepts précis, l’étude des sciences et de la technologie offre des occasions variées aux élèves de développer des habiletés utiles au quotidien. Le domaine A cible ces habiletés et fait référence aux démarches et processus suivants :

  • démarche de recherche;
  • démarche expérimentale;
  • processus de design en ingénierie. 

Les habiletés associées à ces démarches et processus sont les suivantes : 

  • définition et planification (p. ex., poser des questions, éclaircir des questions, élaborer des procédures);
  • réalisation et consignation (p. ex., suivre des procédures, obtenir de l’information, consigner des observations et des résultats);
  • analyse et interprétation (p. ex., organiser des données, réfléchir à l’efficacité des actions effectuées, tirer des conclusions);
  • communication (p. ex., utiliser un vocabulaire approprié, communiquer les résultats de différentes façons).

Il y a plusieurs démarches que l’on peut suivre lors de l’examen scientifique d’une question. En recherche scientifique, les élèves prennent part à des activités leur permettant d’acquérir des connaissances et d’améliorer leur compréhension des idées scientifiques comme le feraient les scientifiques. À l’instar de ces derniers, les élèves doivent aussi développer des habiletés par rapport à deux grandes démarches scientifiques : démarche de recherche et démarche expérimentale. Ces deux démarches jouent un rôle important dans le programme-cadre de sciences et technologie de la 1re à la 8année. Le personnel enseignant devrait veiller à ce que les élèves participent souvent à ces démarches en tenant compte des protocoles éthiques lorsqu’elles et ils développent des habiletés et acquièrent des connaissances dans les domaines d’étude B à E du programme-cadre.

Lors de la planification de la recherche scientifique, le personnel enseignant devrait également tenir compte des effets des technologies émergentes sur les démarches scientifiques, et la manière dont ces démarches ont mené à des innovations et de nouvelles technologies. Par exemple, les avancées technologiques actuelles transforment les méthodes de collecte, de traitement, de stockage et de consultation des données ainsi que la façon dont les connaissances scientifiques sont communiquées, tandis que les percées liées aux matériaux et à leur utilisation contribuent au développement de nouvelles technologies. Dans ce contexte, le personnel enseignant peut faire des liens importants entre la technologie et les sciences afin d’illustrer leur interrelation. Il peut encourager les élèves à utiliser la technologie pour étayer leurs recherches scientifiques et à associer leurs découvertes scientifiques à la mise au point de nouvelles technologies.

Démarche de recherche

La recherche scientifique comprend la recherche primaire, qui s’appuie sur l’observation directe d’objets, d’êtres vivants, de phénomènes et de systèmes, et la recherche secondaire, qui s’appuie sur l’examen du travail de recherche et des résultats des autres. La recherche constitue le point d’entrée d’une enquête et peut aussi servir à confirmer ou à étendre des résultats et des observations pendant ou après une expérience.

La recherche n’est pas toujours linéaire. De nouvelles données ou résultats peuvent amener l’élève à préciser la ou les questions de recherche ou à modifier le cours de la recherche initiale. Ceci ne devrait pas être une source de préoccupation, car il y a des moments où la recherche se déroule de cette manière avec de nouvelles découvertes ayant une incidence sur la chercheuse ou le chercheur et la démarche de recherche elle-même.

Les points d’entrée appropriés d’une démarche de recherche, de même que les éléments ciblés, dépendent du degré de préparation des élèves. L’expérience et les connaissances antérieures, ainsi que l’accès aux ressources, le contexte d’apprentissage et le temps disponible sont d’autres facteurs qui entrent en jeu. C’est pourquoi le personnel enseignant devrait éventuellement prévoir plusieurs points d’entrée pour assurer la participation de tous les élèves à l’apprentissage. 

Avec l’accroissement des sources d’information disponibles et de leur facilité d’accès, les élèves doivent savoir comment repérer l’information pertinente lors de leur recherche. La pensée critique est essentielle à l’évaluation de l’information recueillie et à la prise en compte des partis pris, des champs d’intérêt et des motivations des auteures et auteurs. Les élèves doivent aussi prendre en compte la source ou la maison d’édition des travaux de recherche afin de déterminer la fiabilité de l’information. Enfin, les élèves doivent étudier attentivement la manière dont les connaissances scientifiques sont diffusées, que ce soit dans des contextes formels d’évaluation par les pairs ou par des canaux plus informels tels que les réseaux sociaux.

Le schéma ci-dessous résume la démarche de recherche et présente les liens entre ses éléments et les habiletés : la définition et la planification, la réalisation et la consignation, l’analyse et l’interprétation ainsi que la communication

Ce graphique circulaire illustre la démarche de recherche et les habiletés et composantes connexes. Il contient un cercle extérieur et un cercle intérieur. En le lisant dans le sens des aiguilles d’une montre, le cercle extérieur énumère les habiletés de définition et planification, de réalisation et consignation, d’analyse et d’interprétation, et enfin de communication. Ces quatre domaines de compétences sont interreliés avec des flèches, laissant entendre que les élèves peuvent progresser d’un domaine de compétences à l’autre de façon linéaire; toutefois, dans le cadre de la démarche de recherche, il se peut qu’elles et ils doivent revenir sur des étapes antérieures.  Le cercle intérieur englobe les composantes des habiletés connexes dans le cadre d’une démarche de recherche. Pour la définition et planification, les deux composantes sont 1) Définir la question de recherche, et 2) Trouver et sélectionner les ressources. Pour la réalisation et consignation, la composante est « Trouver et consigner l’information ». Pour l’analyse et interprétation, la composante est « Analyser l’information et résumer les résultats ». Pour la communication, la composante est « Communiquer les résultats ».

Les éléments d’une démarche de recherche sont détaillés ci-dessous. Ces éléments ne seront pas forcément tous abordés durant chaque année d’études, et une démarche ne sera pas toujours linéaire. Ils sont présentés pour guider une démarche.

Définition et planification

Définir la question de recherche

  • Formuler plusieurs questions de recherche précises et concises
  • Sélectionner une question de recherche pertinente à des fins d’examen
  • Déterminer les connaissances et les expériences antérieures ayant trait à la question de recherche
  • Cerner les mots clés
  • Élaborer un plan de travail
  • Tenir compte des ressources disponibles


Trouver et sélectionner les ressources

  • Déterminer les sources à consulter
  • Consulter les sources sélectionnées à l’aide de divers outils de recherche et/ou visiter une bibliothèque, un musée ou d’autres établissements  
  • Tenir compte des partis pris liés aux ressources
  • Sélectionner les ressources pertinentes


Réalisation et consignation

Trouver et consigner l’information

  • Classer les ressources par sujet secondaire
  • Trouver les données importantes à partir des ressources sélectionnées
  • Trouver les données importantes et les consigner sous forme de notes, d’éléments graphiques ou d’illustrations ou encore sur support audio ou vidéo
  • Noter la bibliographie de toutes les ressources


Analyse et interprétation

Analyser l’information et résumer les résultats

  • Repérer les idées manquantes ou contradictoires
  • Classer les données selon leur pertinence
  • Éliminer les données superflues
  • Tenir compte des partis pris liés aux données ou du parti pris de la chercheuse ou du chercheur
  • Vérifier si les données répondent à la question de recherche
  • Répondre à la question de recherche et rédiger un résumé


Communication

Communiquer les résultats

  • Choisir le mode ou support de communication qui convient au public cible
  • Choisir les données à communiquer et préparer une présentation ou une ébauche en employant le vocabulaire approprié
  • Tenir compte des incidences culturelles, éthiques ou autres de la communication des résultats de recherche
  • Réviser l’ébauche en tenant compte de la perspective du public cible
  • Présenter ou publier la recherche

Démarche expérimentale

L’expérimentation est une démarche qui vise à mettre à l’épreuve une hypothèse dans le but de la valider ou de la rejeter, y compris en manipulant des variables afin d’observer ce qui se produit. Elle comporte un apprentissage par l’expérience pratique qui motive et outille les élèves et leur permet de développer leurs habiletés en recherche.

Une démarche expérimentale est souvent itérative et peut comprendre des tests justes pour déterminer les effets de la modification d’un facteur lors d’une expérience. Pour effectuer un test juste, les élèves définissent des variables qui peuvent avoir une influence sur les résultats de l’expérience, choisissent une variable à modifier (c.‑à-d. à tester) et laissent les autres inchangées, prennent des mesures de la même façon à chaque essai, et répètent les tests pour déterminer la validité des résultats. Dans le cadre de leur recherche expérimentale, les élèves sont amenés à explorer le concept de test juste et à se questionner sur la possibilité d’une objectivité absolue et d’une absence de partis pris dans la recherche scientifique.

Comme pour la démarche de recherche décrite ci-dessus, les points d’entrée appropriés pour une démarche expérimentale ainsi que les éléments de la démarche sur lesquels il convient d’insister peuvent dépendre du degré de préparation de l’élève. L’expérience et les connaissances antérieures, l’accès aux matériaux, outils et équipement, le contexte d’apprentissage et le temps disponible sont d’autres facteurs qui entrent en jeu. C’est pourquoi le personnel enseignant devrait éventuellement prévoir plusieurs points d’entrée pour assurer la participation de tous les élèves à l’apprentissage. Les élèves de toute salle de classe présentent collectivement un large éventail de points forts et de besoins. Il appartient au personnel enseignant de planifier des expériences qui tiennent compte de cette diversité et d’utiliser un processus intégré d’évaluation et d’enseignement qui répond aux points forts et aux besoins de chaque élève.

Il importe que les élèves participent à des expériences dans tous les domaines d’étude afin d’apprendre à réaliser diverses expériences dans différents contextes. Il peut s’agir de moyens pratiques et stimulants qui favorisent l’expérimentation pour découvrir une multitude de concepts scientifiques. Les expériences, modestes ou d’envergure, peuvent être dirigées par l’enseignante ou l’enseignant ou par les élèves. Elles peuvent viser à consolider des habiletés et des connaissances existantes ou à développer de nouvelles habiletés et à acquérir de nouvelles connaissances.

Il faut encourager les élèves à suivre la démarche expérimentale et les procédures de santé et de sécurité établies, ainsi qu’à élaborer leur propre démarche expérimentale, toujours dans une optique de protection de la santé et de la sécurité.

Le schéma ci-dessous résume la démarche expérimentale et présente les liens entre ses éléments et les habiletés : la définition et la planification, la réalisation et la consignation, l’analyse et l’interprétation ainsi que la communication

Ce graphique illustre la démarche expérimentale et les habiletés et composantes connexes. Il contient un cercle extérieur et un cercle intérieur. En le lisant dans le sens des aiguilles d’une montre, le cercle extérieur énumère les habiletés de définition et planification, de réalisation et consignation, d’analyse et interprétation, et enfin de communication. Ces quatre domaines de compétences sont interreliés avec des flèches, laissant entendre que les élèves peuvent progresser d’un domaine de compétences à l’autre de façon linéaire; toutefois, dans le cadre de la démarche expérimentale, il se peut qu’elles et ils doivent revenir sur des étapes antérieures.  Le cercle intérieur englobe les composantes des habiletés connexes dans le cadre de la démarche expérimentale. Pour la définition et planification, les deux composantes sont 1) Définir un problème et son contexte, et 2) Concevoir l’expérience. Pour la réalisation et consignation, les deux composantes sont 1) Réaliser l’expérience, et 2) Consigner les données. Pour l’analyse et interprétation, la composante est « Analyser et résumer les résultats ». Pour la communication, la composante est « Communiquer les résultats ».

Les éléments d’une démarche expérimentale sont détaillés ci-dessous. Ces éléments ne seront pas forcément tous abordés durant chaque année d’études, et une démarche ne sera pas toujours linéaire. Ils sont présentés pour guider une démarche.


Définition et planification

Définir un problème et son contexte

  • Trouver et passer en revue des ressources touchant un domaine de recherche 
  • Soulever des questions touchant le domaine de recherche  
  • Définir un problème particulier et déterminer ce qui doit être élucidé
  • Formuler une hypothèse ou des résultats attendus


Concevoir l’expérience

  • Définir clairement les étapes de l’expérience
  • Déterminer les matériaux, les outils et l’équipement à utiliser et les mesures de santé et sécurité à suivre 
  • Décider quelles variables demeureront constantes et lesquelles seront modifiées 
  • Déterminer les données à recueillir 


Réalisation et consignation

Réaliser l’expérience

  • Réaliser l’expérience en portant une grande attention aux étapes définies
  • Suivre tous les procédures et processus liés à la santé, à la sécurité et à l’intendance environnementale


Consigner les données

  • Déterminer le type de données à recueillir
  • Déterminer la meilleure méthode pour consigner, organiser et présenter les données
  • Consigner des données claires et précises


Analyse et interprétation

Analyser et résumer les données

  • Effectuer tous les calculs nécessaires
  • Représenter les données à l’aide de moyens appropriés
  • Expliquer le résultat obtenu à partir des données
  • Passer en revue les ressources trouvées, en tenant compte des résultats de l’expérience
  • Tirer une conclusion claire et concise basée sur un résumé des données
  • Considérer les sources d’erreur et comment minimiser ces sources d’erreur dans les expériences futures


Communication

Communiquer les résultats

  • Choisir le mode ou support de communication qui convient au public cible
  • Choisir les données à communiquer et préparer une présentation ou une ébauche en employant le vocabulaire approprié  
  • Réviser l’ébauche en tenant compte de la perspective du public cible 
  • Présenter ou publier la recherche

Un processus de design en ingénierie sert de cadre aux élèves et au personnel enseignant pour planifier et élaborer des solutions à des problèmes ou pour répondre à un besoin associé aux sciences et à la technologie et au monde qui les entoure. Ce processus tient compte de la complexité et de l’ambiguïté possible des problèmes scientifiques et technologiques du 21e siècle et suggère des étapes appropriées et ciblées visant à faire face à ces défis. 

Semblable à une démarche de recherche et à une démarche expérimentale (décrites ci-dessus), un processus de design en ingénierie est itératif et nécessite parfois de reprendre une partie de l’expérience à la lumière de nouvelles données sur le problème ou sur les personnes pour lesquelles une solution est élaborée. Les élèves peuvent même être amenés à recommencer ou à répéter un processus en entier lorsque l’avenue choisie se révèle être une impasse. C’est une facette incontournable de l’apprentissage et de la conception dans le domaine des sciences et de la technologie. 

Comme les élèves seront chargés de trouver des solutions ayant une incidence sur des tiers, les considérations éthiques ainsi que les points de vue et les besoins d’une variété de personnes et de communautés devraient être pris en compte tout au long du processus. Les élèves peuvent réaliser des entrevues avec les utilisatrices et utilisateurs finaux, ou faire une recherche sur des personnes ou des communautés touchées par les solutions potentielles. Tout au long du processus, leur approche doit être empathique, et elles et ils doivent tenir compte de différents points de vue ainsi que de facteurs comme la convivialité et l’intendance environnementale.

Suivant un processus de design en ingénierie comme celui qui est présenté ci-dessous, les élèves définissent un problème et planifient des solutions, réalisent des tests et consignent les données, analysent et interprètent les résultats, puis communiquent ces résultats de différentes façons et dans divers buts en employant un vocabulaire approprié. Le produit final peut être un objet matériel, mais ce n’est pas toujours le cas. Les élèves peuvent, par exemple, recourir à un processus de design en ingénierie pour produire une simulation ou un modèle informatique ou pour élaborer un nouveau processus ou système scientifique ou technologique.

Comme dans le cas d’une démarche de recherche et d’une démarche expérimentale, il n’existe pas un seul et unique processus de design en ingénierie, mais plutôt plusieurs pratiques en ingénierie appliquées pour concevoir des solutions et des projets. Il est possible que les élèves et le personnel enseignant ressentent le besoin de se concentrer sur certains éléments du processus de design en ingénierie fourni, ou de les remplacer par des parties de processus trouvées ailleurs. Les élèves et le personnel enseignant peuvent même trouver d’autres processus de design en ingénierie intéressants; il pourrait leur être utile de comparer différents processus.

Les points d’entrée appropriés d’un processus de design en ingénierie, de même que les éléments ciblés, dépendent du degré de préparation des élèves. L’expérience et les connaissances antérieures, l’accès aux ressources, le contexte d’apprentissage et le temps disponible sont d’autres facteurs qui entrent en jeu. C’est pourquoi le personnel enseignant devrait prévoir plusieurs points d’entrée pour assurer la participation de tous les élèves à l’apprentissage.

Un processus de design en ingénierie amène les élèves à appliquer d’importants concepts et habiletés scientifiques et technologiques, conformément aux attentes du programme-cadre, de même que des compétences transférables et des concepts interdisciplinaires propres à l’apprentissage des STIM. 

Le schéma ci-dessous résume le processus de design en ingénierie et présente les liens entre ses éléments et les habiletés : la définition et la planification, la réalisation et la consignation, l’analyse et l’interprétation ainsi que la communication

Ce graphique circulaire illustre le processus de design en ingénierie et les habiletés et composantes connexes. Il contient un cercle extérieur et un cercle intérieur. En le lisant dans le sens des aiguilles d’une montre, le cercle extérieur énumère les habiletés de définition et planification, de réalisation et consignation, d’analyse et interprétation, et enfin de communication. Ces quatre domaines de compétences sont interreliés avec des flèches, laissant entendre que les élèves peuvent progresser d’un domaine de compétences à l’autre de façon linéaire; toutefois, il se peut qu’elles et ils doivent revenir sur des étapes antérieures.  Le cercle intérieur englobe les composantes des habiletés connexes dans le cadre du processus de design en ingénierie. Pour la définition et planification, les deux composantes sont 1) Examiner et comprendre un problème, et 2) Concevoir et proposer des solutions potentielles. Pour la réalisation et consignation, les deux composantes sont 1) Sélectionner une option et créer un prototype, et 2) Tester le prototype. Pour l’analyse et l’interprétation, la composante est « Évaluer et modifier le prototype ». Pour la communication, la composante est « Communiquer la solution ».

Les éléments d’un processus de design en ingénierie sont détaillés ci-dessous. Ces éléments ne seront pas forcément tous abordés durant chaque année d’études, et un processus ne sera pas toujours linéaire. Ils sont présentés pour guider un processus de design en ingénierie.


Définition et planification

Examiner et comprendre un problème

  • Trouver et passer en revue des ressources ayant trait à un problème
  • Identifier des personnes touchées par le problème 
  • Réaliser des entrevues avec les personnes touchées par le problème
  • Écouter attentivement les personnes touchées par le problème et faire preuve d’empathie pour comprendre leurs expériences, leurs points de vue et leurs préoccupations
  • Revoir des problèmes connexes et les solutions à ces problèmes
  • Déterminer les enjeux entourant la durabilité et la santé et sécurité


Concevoir et proposer des solutions potentielles

  • Faire un remue-méninges et proposer des solutions possibles
  • Évaluer les solutions potentielles en considérant les travaux de recherche, les problèmes et les solutions connexes 
  • Élaborer des critères de réussite et contraintes précis et évaluer les solutions potentielles en fonction de ces critères et contraintes
  • Tenir compte des utilisatrices et utilisateurs finaux et de ceux touchés par les solutions potentielles, en considérant leurs expériences, leurs points de vue et leurs préoccupations
  • Envisager la possibilité d’appliquer des solutions connexes et existantes (ou certains aspects de ces solutions) au problème cerné 
  • Envisager l’élaboration de nouvelles solutions, différentes des solutions existantes 
  • Améliorer ou combiner les solutions potentielles 


Réalisation et consignation

Sélectionner une option et créer un prototype

  • Choisir la solution la plus pertinente en fonction des critères établis 
  • Planifier le design de la solution en tenant compte des étapes requises ainsi que des matériaux, des outils et de l’équipement et du temps alloué
  • Prendre en considération les questions économiques, environnementales, éthiques, de santé et de sécurité liées au design potentiel
  • S’assurer que les principaux composants du design peuvent être produits de façon efficace
  • Construire un prototype à partir du design


Tester le prototype

  • Mettre au point des tests pour évaluer la solution 
  • Réaliser les tests dans divers contextes, y compris dans des environnements contrôlés et authentiques ainsi qu’avec plusieurs utilisatrices et utilisateurs potentiels 
  • Consigner les observations et les données
  • Recueillir des commentaires sur le prototype, notamment auprès des enseignantes et enseignants, d’autres élèves de la classe, des camarades et/ou des membres de la famille ou de la communauté


Analyse et interprétation

Évaluer et modifier le prototype

  • Analyser les résultats des tests pour déterminer les modifications à apporter au prototype afin d’améliorer l’expérience de l’utilisatrice ou utilisateur final
  • Revoir les ressources initiales, les connaissances existantes et d’autres idées de remue-méninges afin d’améliorer le design, en tenant compte des résultats des tests
  • Évaluer la nécessité d’avoir recours à des composantes, à des matériaux, à des outils et à de l’équipement supplémentaires, ou à plus de temps
  • Perfectionner le prototype pour obtenir un produit fini


Communication

Communiquer la solution

  • Choisir le mode ou support de communication qui convient au public cible 
  • Déterminer les renseignements importants et les composantes de la solution ou du projet à partager, et développer une ébauche ou un plan pour la présentation ou la démonstration, en utilisant le vocabulaire approprié
  • Tenir compte des problèmes pouvant surgir pendant la présentation ou la démonstration et en atténuer les risques 
  • Réviser l’ébauche et les plans en tenant compte de la perspective du public cible, et apporter des changements, au besoin 
  • Présenter ou finaliser le prototype ou la solution