Poêle à fusée comme une proposition de pratique expérimentale pour l’enseignement de la physique

ARTICLE ORIGINAL

SILVA, Rafael Leal da ^[1]

SILVA, Rafael Leal da. Poêle à fusée comme une proposition de pratique expérimentale pour l’enseignement de la physique. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. An 05, Ed. 07, vol. 02, p. 28 à 42. juillet 2020. ISSN: 2448-0959, Lien d’accès: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/fisica-fr/poele-a-fusee

RÉSUMÉ

Les pratiques expérimentales permettent aux élèves d’avoir un environnement dans lequel l’apprentissage se fait de manière interactive, ce qui leur donne l’occasion de créer des hypothèses et de les tester dans un environnement où l’enseignant est le médiateur dans le processus d’enseignement-apprentissage. En raison du faible nombre de laboratoires équipés à certains endroits, il est nécessaire de recourir à des alternatives, en particulier celles qui ont des propositions à faible coût et durables. Cet article présente des résultats qualitatifs ainsi qu’une proposition pour l’enseignement des sujets thermodynamiques en utilisant comme objet didactique le poêle à fusée, qui a été étudié dans le monde entier pour être moins polluant et plus économe en énergie que les poêles qui utilisent la biomasse disponible pour les régions économiquement vulnérables du monde. Parce que c’est un thème commun pour la plupart des étudiants impliqués, dans l’activité proposée dans cet article le poêle à fusée, en plus de faciliter l’enseignement des concepts de physique, a permis une discussion sur la durabilité dans le contexte de la classe expérimentale. La pratique expérimentale a été faite dans le cadre de la proposition du laboratoire divergent, parce que dans ce type d’environnement, l’étudiant a plus de liberté pour être le principal promoteur de leur processus d’apprentissage, en plus de permettre une participation interactive entre les groupes. Une proposition quantitative basée sur les études d’Okonkwo et al (2017) est également présentée dans cet article pour un cours de physique plus avancé. En général, après la performance et pendant l’expérience, l’excitation des élèves sur la façon dont ils apprenaient la physique était notoire, pour aller au-delà de la méthodologie rigide traditionnelle des classes théoriques.

Mots clés: Poêle à roquettes, enseignement de la physique, pratiques expérimentales, laboratoire divergent.

1. INTRODUCTION

L’enseignement de la physique fait face à de grands défis en ce qui concerne la transposition didactique. La façon traditionnelle d’enseigner a été critiquée par les chercheurs dans l’enseignement comme n’étant pas efficace pour surmonter la crise éducative de cette discipline au Brésil. Parmi les propositions de résolution de problèmes, l’enseignement qui utilise les pratiques expérimentales comme outil a été souligné comme d’une importance primordiale, puisque la physique a un caractère expérimental qui ne peut être dissocié de la discipline (PINHO-ALVES, 2002; FARIA e CARNEIRO, 2020; FORÇA et al, 2011; KANBACH et al, 2005; ANDRADE, 2009).

Pinho-Alves (2000) attire l’attention sur l’utilisation du laboratoire didactique comme processus d’enseignement. De ce point de vue, il a le pouvoir de servir de médiateur et de mettre en garde contre l’ancien paradigme qui ne le voyait que comme une méthode expérimentale. Par conséquent, la performance dans l’espace scolaire avec les élèves doit tenir compte de la transposition didactique qui rend plus accessible le processus de transformation des connaissances à enseigner lorsqu’il est enseigné les connaissances (PINHO-ALVES, 2000). En outre, selon lui, la transposition didactique se produira par le constructivisme dans la manière de faire face à la production de la science au cours du processus d’enseignement-apprentissage.

Pour l’application de projets de pratiques expérimentales en tant que participant à la transposition didactique, il est nécessaire de connaître la réalité de l’environnement scolaire, ainsi que le contexte socioculturel de l’institution, le projet politique pédagogique et la législation éducative. Tous ces facteurs influencent l’utilisation des laboratoires d’enseignement dans les écoles. En plus des facteurs déjà mentionnés, il y a le processus de formation des enseignants lié à la résistance des directeurs scolaires et pédagogiques aux changements dans la façon traditionnelle d’enseigner. S’adressant à cette influence des personnes impliquées dans l’environnement scolaire, Pinheiro commente la difficulté d’inclure le laboratoire didactique dans l’enseignement :

Pour lui, les groupes de noosphère liés à la communauté scolaire se font plus concurrence, comme la direction des écoles publiques, les propriétaires d’établissements d’enseignement, les superviseurs et les conseillers pédagogiques, la communauté des parents et des enseignants. Il y a d’innombrables aspects qui contribuent à la définition du savoir à enseigner, mais nous pouvons identifier qu’elles sont définies par la possibilité d’un contrôle social et juridique de l’apprentissage. (PINHEIRO, 1996)

Du point de vue constructiviste, les activités expérimentales simplifient le processus didactique, où l’enseignant est le manipulateur de cet outil. Ainsi, dans la transposition constructiviste, l’expérience n’est plus un objectif à enseigner, mais plutôt un élément d’agrégation dans le processus d’acquisition de connaissances. Par conséquent, avec cet objectif, son application doit être caractérisée par la polyvalence, de sorte qu’il assume un caractère de médiation (PINHO-ALVES, 2002).

Lors de la mise en œuvre de l’utilisation du laboratoire et de toutes les dynamiques impliquées, il est nécessaire de choisir le type de laboratoire à utiliser. Contrairement au modèle de laboratoire traditionnel, qui met l’accent sur la vérification ou la preuve de la loi et aussi l’exploration des concepts à l’épuisement, le laboratoire divergent a comme objectif principal, pour permettre à l’étudiant de décider du régime et de la procédure expérimentale à adopter (PINHO-ALVES, 2002).

En ce qui concerne l’application du laboratoire divergent, il y a deux étapes. La première étape, appelée « exercice », se produit au moment où les élèves effectuent des activités et s’adaptent à l’équipement et aux instruments des mesures et techniques expérimentales, ainsi qu’à la théorie présentée. À ce stade, l’objectif principal est la formation des étudiants. Dans la deuxième étape, connue sous le nom d’« expérimentation », l’élève choisira l’activité qu’il effectuera, ainsi que ses objectifs, ses hypothèses et les mesures qu’il effectuera. Après planification, les élèves devraient discuter avec l’enseignant, afin d’envisager d’éventuelles corrections de leurs conclusions, en plus de la faisabilité des matériaux à utiliser dans la période prévue de la pratique expérimentale (PINHO ALVES, 2000; BORGES, 2002). En raison de sa polyvalence et des possibilités de modifications en dehors des normes rigides des laboratoires traditionnels, le laboratoire divergent a été adopté comme un outil dans ce travail.

Toujours dans le cadre de pratiques expérimentales, Pearce (2007) préconise l’utilisation de projets technologiques visant à la durabilité, en plus de proposer des matériaux qui peuvent être utilisés dans des endroits où l’accès aux laboratoires d’enseignement est difficile en raison des conditions sociales dans plusieurs pays sous-développés. En ce qui concerne l’enseignement de la thermodynamique, Pearce indique des expériences avec le refroidissement par évaporation, poêles / fours, cuiseur solaire, déshydrateur alimentaire et d’autres dispositifs d’utilisation solaire.

Au Brésil, la matrice de l’énergie de la biomasse correspond à un cinquième de toute l’énergie consommée dans le pays (MAIA et GOMES, 2009). Cela ouvre la voie à une large discussion à la fois dans le sens de la physique purement dit, ainsi que sur des sujets plus généraux tels que le réchauffement climatique, l’effet de serre, la déforestation, la conservation de l’environnement, l’émission de gaz toxiques et le danger pour la santé. De tels sujets ne seraient guère abordés dans un cours de physique traditionnelle lors de l’enseignement des thèmes de la thermodynamique (MAZORRA et al, 2019; GOLDEMBERG et LUCON, 2007; SILVA, 2019; SANTOS, 2017; CARVALHO, 2014).

Cet article présente une proposition pédagogique de pratique expérimentale utilisant le poêle à roquettes comme objet d’étude car il permet une approche multidisciplinaire des thèmes : énergies renouvelables, durabilité, expériences avec des matériaux à faible coût et enseignement de la thermodynamique d’une manière plus proche de la vie quotidienne des étudiants.

2. EXPÉRIMENTATION DANS L’ENSEIGNEMENT DE LA PHYSIQUE

Les organisateurs de plans d’étude et les enseignants, lorsqu’ils utilisent un travail pratique, rencontrent des difficultés, comme le souligne Hodson (1994). En général, ces difficultés surviennent en raison d’obstacles inutiles qui empêchent l’apprentissage d’informations excessives. Ainsi, Hodson soutient que deux stratégies peuvent être adoptées. La première : adopter une approche de recette où l’expérience a un objectif simple et une feuille de route étape par étape. Le second: un comportement aléatoire qui fait paraître l’étudiant occupé.  Ici, il y a un besoin de soins lorsqu’on propose une pratique expérimentale, en éliminant les étapes très élaborées et en évitant de prêter trop d’attention aux mesures d’une seule variable (HODSON, 1994).

Pour lui, l’enseignement des sciences comporte trois aspects pertinents convergents :

1. 1. 1. Apprendre les sciences en acquérant et en développant des connaissances théoriques et conceptuelles;
      2. Apprendre à connaître la nature de la science en développant une compréhension de la nature et des méthodes de la science, en étant conscient des interactions complexes entre le savoir et le développement social;
      3. Pratiques scientifiques, développement de connaissances techniques sur la recherche scientifique et la résolution de problèmes. (HODSON, 1994)

Tout comme l’expérimentation est fondamentale pour la rendre scientifique, elle doit être fondamentale dans l’enseignement de la science.  Selon Hodson (1994), les organisateurs et les enseignants ne font toujours pas de distinction entre la pratique expérimentale et le processus d’enseignement-apprentissage. Il affirme également que beaucoup de commentaires sur l’erreur de comprendre la pratique expérimentale que comme ce genre de travail effectué sur un banc de laboratoire.

Bien qu’elle soit un outil dont l’efficacité est prouvée dans l’enseignement, l’expérimentation est critiquée dans le sens de son application, car il existe des pratiques trop complexes qui pourraient être plus nocives pour l’enseignement qu’efficaces. Pour Séré (2002), il existe différentes façons d’inclure les pratiques expérimentales dans l’enseignement, avec des résultats différents :

1. 1. 1. Comprendre la théorie, les concepts, les modèles, les lois, le raisonnement spécifique, qui diffèrent souvent notamment du raisonnement actuel;
      2. Apprenez toute la théorie;
      3. Effectuer des expériences montrant un certain nombre de réalités, de faits et d’instruments qui utilisent des théories et des procédures, pour acquérir de l’expérience, qui confirment l’expérience;
      4. Apprenez les procédures et les chemins pour pouvoir les utiliser lors de l’exécution d’autres expériences dans d’autres contextes;
      5. Apprenez à utiliser les connaissances théoriques apprises afin qu’elles sont présentes et utilisées lorsqu’il s’agit d’effectuer un processus de recherche complet. (SÉRÉ, 2002)

Il est donc nécessaire de détecter la meilleure approche dans chaque situation lors de l’application de pratiques expérimentales. Selon l’approche choisie, les activités pratiques peuvent avoir les objectifs suivants, comme l’indique Borges (2002) : servir à tester une loi, à illustrer les idées et les concepts des classes théoriques, et à déduire une formule ou une loi sur un phénomène. La recommandation est de diviser les élèves en petits groupes, en facilitant l’interaction dans la préparation de l’expérience et en permettant l’échange d’idées. Un autre avantage souligné est la nature informelle des pratiques expérimentales qui contraste avec le formalisme et la rigidité des classes théoriques (BORGES, 2002).

Il y a aussi des critiques des pratiques expérimentales dans l’enseignement, faisant valoir qu’elles sont inefficaces pour les étudiants, parce que beaucoup de temps est consacré à des détails importants dans le processus d’enseignement, comme; l’assemblage de l’expérience, la collecte de données, l’essai d’équations et la vérification des résultats précédemment déterminés. Dans ce point de vue critique des pratiques expérimentales, les élèves ne consacrent pas suffisamment de temps à l’analyse et à l’interprétation des résultats et que ces activités auront peu d’efficacité (COELHO et al,, 2000).

Parmi les principales difficultés dans l’introduction de l’enseignement des sciences avec les laboratoires, Pinho-Alves (2000) souligne le danger d’avoir plusieurs objectifs non compatibles dans la même activité. Pour lui et d’autres auteurs, il faut chercher des moyens plus créatifs et plus efficaces, avec des objectifs bien définis, en cherchant à utiliser des méthodologies qui donnent l’accord à l’enseignement expérimental et à l’enseignement théorique, permettant d’intégrer la pratique et la théorie et donc, par conséquent, l’expérience a servi de base à la théorie.

Dans un contexte plus général, lorsqu’on rejette l’utilisation des laboratoires dans l’enseignement des sciences, ce qui se passe, c’est que l’enseignement est réduit à un simple système abstrait de définitions, formules, lois et exercices, sans lien avec le caractère fondamental des sciences qui a l’expérience comme principal agent de découverte. Les théories de la physique ont leur construction dans des modèles mathématiques, cependant, sans preuve expérimentale, il ne serait pas possible d’obtenir une compréhension du fonctionnement de la nature et pourquoi (AXT, 1991).

Pour Pinho-Alves (2000), l’expérimentation dans l’enseignement nécessite un type de laboratoire adapté à chaque réalité et qui est conforme aux objectifs des établissements d’enseignement et des enseignants. Les types de laboratoires doivent être étudiés du point de vue de leurs caractéristiques.

Dans ce travail, nous avons choisi le laboratoire divergent, parce que sa dynamique permet à l’étudiant de travailler de vrais systèmes physiques, permettant l’approche de problèmes tout aussi réels dont les réponses ne sont pas préconçues. En outre, les étudiants peuvent choisir le schéma et la procédure à adopter au cours de l’étude. Au stade de l’exercice, tous les élèves doivent répondre à une série de questions communes à tous les élèves, procédures, mesure, tous visant à la formation pour la deuxième étape. Dans la deuxième étape, les élèves décident de l’activité qu’ils effectueront, de leurs objectifs et hypothèses à tester, juste après l’interaction avec l’enseignant, il peut y avoir des modifications et des corrections éventuelles, ainsi que la vérification de la viabilité du matériel disponible et du temps pour effectuer l’expérience (BORGES, 2002).

3. POÊLE À ROQUETTES

Dans la perspective de l’approche de laboratoire divergente, une pratique impliquant des poêles à roquettes a été faite. Ils suivent les principes de conception de Winiarski (1982) et les travaux conjoints de Still et Winiarski (2001) qui aident à l’efficacité énergétique par rapport à d’autres poêles qui utilisent la biomasse comme sources d’énergie. Les tailles des ouvertures de poêle sont importantes car elles doivent être dimensionnées. Si les ouvertures sont petites, la biomasse ne peut pas être brûlée correctement et la fumée peut retourner sur le site de combustion. De même, si les ouvertures sont grandes, la chaleur ne sera pas transmise à la casserole s’échappant par épuisement. Dans ce travail, nous avons utilisé le modèle de poêle à fusée de type genou, selon le diagramme de la figure 1.

Figure 1 : Schéma de poêle à roquettes de type genou. La plus petite base se compose d’une étagère qui sert de support pour le carburant et une entrée pour le flux d’air. La partie plus grande et interne est la chambre de combustion où le flux d’air rencontre la flamme. L’extérieur, dans cet exemple, est en métal et, en haut, la sortie de la flamme et l’ouverture pour placer la casserole.

La déforestation est un problème dans de nombreux pays d’Asie du Sud.  Le remplacement des poêles traditionnels à trois brûleurs par des poêles à roquettes a réduit la consommation de bois en moyenne de 3,68 tonnes à 2 706 tonnes par an dans chaque ménage. Il y a une grande demande d’énergie de la part des personnes vivant dans les zones rurales du Népal dépendantes des sources de biomasse. Environ 64 % de la population népalaise utilise le bois comme principale source d’énergie pour la cuisson (SUBEDEE et al, 2017).

Dans certaines régions du monde, en raison de la déforestation et d’autres facteurs, le principal combustible utilisé pour les poêles est mandibule sèche. Toutefois, il est moins économe en énergie que le bois et le charbon (WITT et coll., 2006). À la suite du prototype de poêle à roquettes qui utilise le fumier comme combustible, par rapport à d’autres poêles qui ne suivent pas les principes de Larry Winiarski (1982), l’article présente que dans l’essai de l’eau bouillante, le prototype est plus économe en énergie et réduit les émissions de CO de 44% par rapport au feu directement dans le bois. Montrer qu’il s’agit d’un prototype prometteur en abaissant les niveaux de pollution et en réduisant les pertes économiques liées à l’utilisation de grandes quantités de carburant.

Ochieng et al. (2013) et leurs collaborateurs ont étudié l’émission de monoxyde de carbone (CO) dans 102 ménages afin de comparer les différences d’émissions entre trois types de poêles utilisés dans cette région, les poêles traditionnels à trois pierres et le poêle à roquettes en argile. Faire des mesures continues pour 48h dans les cuisines de ces résidences, alors que les concentrations de personnel de cuisine et de CO étaient respectivement de 7,3 et 6,5 ppm pour les poêles à trois pierres, les concentrations correspondantes pour les poêles à roquettes étaient de 5,8 et 4,4 ppm. Compte tenu de l’emplacement de la cuisine, de la ventilation, du statut socio-économique et de la concentration du mélange de carburant, l’utilisation de poêles à roquettes en argile a réduit les niveaux de co associés à la cuisine de 33 % et les niveaux personnels de 42 % par rapport au poêle à trois pierres.

Les résultats de cette étude montrent que l’utilisation de la biomasse comme combustible dans les cuisines augmente les niveaux de co à l’intérieur des maisons. Ce type d’utilisation est assez fréquent dans les ménages ruraux de l’ouest du Kenya. Bien que la concentration de CO soit plus faible dans les ménages utilisant des poêles à roquettes, elles demeurent élevées dans l’ensemble, ce qui suggère qu’elles peuvent ne pas produire d’avantages significatifs pour la santé respiratoire. Une réduction substantielle des concentrations de CO peut avoir des conséquences sur la santé en raison des niveaux d’exposition au CO. Ces conséquences doivent faire l’ment de nouvelles investigations.

Burnham-Slipper (2009) a produit un poêle à roquettes qui a donné de bons résultats en optimisant l’utilisation du bois, en réduisant la quantité de carburant nécessaire pour les tâches quotidiennes, en réduisant les émissions de carbone et en améliorant la qualité de vie, en particulier pour les femmes et les enfants. Au travail, il a utilisé un programme de dynamique des fluides computationnels pour optimiser les conditions de carburant. Dans un premier temps, la phase expérimentale a caractérisé le taux de combustion, la température de la vitesse de combustion du gaz.

Winiarski (1982) présente des principes pour optimiser les poêles qui utilisent le bois comme combustible. Le poêle à roquettes utilisé ici, ils sont basés sur eux. Ils sont :

1. 1. 1. Isoler autour du feu à l’aide de matériaux légers et résistants à la chaleur;
      2. Placez une cheminée isolante au-dessus du feu pour rediriger la fumée;
      3. Chauffer les extrémités des tiges, des bâtons et du bois de chauffage avant de les mettre en feu afin qu’elles ne fassent pas de flammes et non de fumée;
      4. Plus de chaleur ou moins de chaleur dépend du nombre de bâtons placés dans le feu;
      5. Gardez un bon bâton sous le feu, à travers les braises. Évitez de laisser trop d’air supplémentaire au-dessus du feu pour le refroidir;
      6. Le petit bâton tiré dans le feu entraînera de la fumée et un excès de charbon;
      7. Gardez l’écoulement de l’air vers le feu, l’espace à l’intérieur du poêle, à travers lequel l’air chaud coule et la cheminée doit être de la même épaisseur;
      8. Utiliser un gril sur le feu;
      9. Isoler le chemin de l’écoulement de chaleur du feu autour de la casserole;
      10. Maximiser le transfert de chaleur dans la poêle avec des ouvertures de taille appropriée. (WINIARSKI, 1982)

Les poêles à roquettes peuvent être produits avec les matériaux les plus variés d’accès facile et à faible coût, tels que les boîtes métalliques, argile, briques, bois, etc. Gandigue et Nagarhalli (2018) présentent un examen des principaux types de poêles à roquettes et des paramètres qui influencent l’amélioration de l’efficacité de chaque modèle.

Les paramètres sont liés à la taille de la cheminée, de la chambre à combustible et de l’entrée d’air et des ouvertures de sortie du feu. Si les ouvertures sont trop petites, vous ne serez pas en mesure de brûler le carburant correctement et générerez de la fumée. D’autre part, si les ouvertures sont excessivement grandes, la chaleur s’échappe et ne sera pas utilisée efficacement pour chauffer la casserole par épuisement. Les dimensions des paramètres suivent les principes de Winiarski (1982) et les paramètres géométriques sont trouvés par les formules de Dana (2009), qui sont:

Les variables géométriques dans les équations (01), (02), (03) et (04) sont respectivement: K est la hauteur de la cheminée à l’extrémité de la chambre de combustion, J étant la hauteur de la chambre de combustion, H_c hauteur de la cheminée de la base du poêle, L la longueur de la base où le combustible et l’ouverture seront placés pour le flux d’air et A est la zone de la combustion de la chambre.

4. MÉTHODOLOGIE

Les travaux actuels ont été développés dans les classes de pratiques expérimentales dans une municipalité de Paraíba. Les résultats présentés ici constituent une recherche qualitative afin de présenter une approche expérimentale des sujets de physique qui dialoguent avec d’autres disciplines et se connectent au contexte social des étudiants des arrière-pays de Paraiba.

Initialement, les élèves ont été exposés au contenu de la thermologie, la calorimétrie et la thermodynamique et aux principes de fonctionnement du concepteur du poêle à fusée dans les classes théoriques de physique. Deux sections de classes expérimentales ont été distribuées au premier semestre 2020 et, dans chaque section 4, des cours expérimentaux ont eu lieu. Les élèves ont été divisés en 5 groupes et ont produit un total de 5 poêles à roquettes. La figure 2 montre l’un des poêles montés pendant la classe. Le matériel nécessaire à la production des poêles a été trouvé dans le laboratoire scientifique lui-même et les restes de déchets solides (briques) trouvés dans la cour de l’école qui était en cours de rénovation.

La construction des poêles a eu lieu dans la zone extérieure de l’école où les élèves étaient libres de recueillir le matériel nécessaire, suivant ainsi les principes de Winiarski et les paramètres géométriques de Dana pour optimiser le fonctionnement de l’appareil.

Figure 2 : Poêle à fusée construit avec des briques de débris de relooking d’école.

Après l’expérience, afin d’évaluer qualitativement l’apprentissage des élèves, un rapport a été proposé avec la structure obligatoire suivante : introduction, matériaux et méthodes et conclusions.

5. RÉSULTATS ET DISCUSSIONS

La construction du poêle à fusées a fourni un espace pour des discussions approfondies, qui seraient difficiles à aborder avec des scripts plus traditionnels d’expériences de physique pour l’école secondaire. La méthodologie a conduit au thème des énergies renouvelables et non renouvelables, les discussions sur l’effet de serre causé principalement par les gaz émis dans la combustion de la biomasse. Une autre discussion soulevée par les étudiants eux-mêmes a été la question de l’efficacité qui pourrait être atteint en utilisant des paramètres géométriques et des concepts de la physique.

Dans les rapports finaux de la pratique, les étudiants ont attribué une grande importance des pratiques expérimentales dans ce style dans lequel les théories acquièrent des applications pratiques et simples. Une autre observation pertinente des étudiants était le fait que l’interaction de groupe a également facilité l’assimilation des concepts de la physique, parce que les doutes théoriques et les problèmes possibles avec l’assemblage du poêle expérimental ont été résolus d’une manière dans laquelle ils se sont sentis confiants.

L’expérience a soulevé le caractère d’enquête chez les étudiants, soulevant des hypothèses sur la loi de la conservation de l’énergie, le transfert et la propagation de la chaleur. Quant au rôle du professeur dans les travaux expérimentaux, il est important de souligner le devoir d’être médiateur, en offrant un script de pratique simple et clair, c’est-à-dire en supprimant les étapes trop complexes et parfois inutiles lors de l’assemblage et de l’exécution de l’expérience. L’enseignant, lorsqu’il propose des œuvres expérimentales impliquant plus d’un concept physique, comme c’est le cas en l’espèce, ne doit pas tomber dans l’erreur de fournir des réponses faciles aux questions et aux difficultés. Dans son scénario et sa performance, il a pour position de promouvoir les conclusions des élèves, qui, par l’interaction sociale et les connaissances préalables, trouveront leurs réponses.

La démonstration qualitative de l’efficacité du poêle, par rapport au poêle traditionnel à trois pierres, a été réalisée par les étudiants d’une manière pratique et simple par comparaison. Après la construction des deux modèles de poêles (le poêle à trois pierres et la fusée), il y a eu un débat de réflexion où les groupes sont arrivés à la conclusion que la meilleure façon de tester l’efficacité sans faire de calculs, serait de peser, à l’aide d’une échelle, des quantités égales de bois pour les deux poêles. Ainsi, deux casseroles égales en aluminium contenant des quantités égales d’eau seraient placées simultanément dans les deux poêles. Ils ont conclu que le poêle qui a fait bouillir l’eau en premier et avec le moins de quantité de carburant brûlé, serait la meilleure efficacité. Avec le test et l’affirmation positive de l’hypothèse prouvée, l’excitation des étudiants avec le produit de leurs efforts expérimentaux et théoriques était notoire.

6. UNE AUTRE PROPOSITION DE PRATIQUE EXPÉRIMENTALE POUR UNE APPROCHE QUANTITATIVE

Le poêle à fusée peut également être utilisé dans une classe de physique plus avancée qui a déjà des connaissances sur la théorie du transfert de chaleur et les transferts de masse.

La technique a été appliquée par Okonkwo et coll. (2017) pour tester l’efficacité d’un prototype développé par eux. Pour analyse, la loi sur la conservation de l’énergie (RAJPUT, 2010) devrait être appliquée :

Pour le poêle à fusée, l’énergie d’entrée est liée à l’énergie stockée dans le bois selon l’équation suivante :

Où M_m est la masse de bois, L_m chaleur du bois, M_c  la masse de charbon. L’énergie de sortie est basée sur l’énergie transférée à l’eau, qui est modélisée par:

Étant M_a la masse initiale de l’eau, C_p la chaleur spécifique de l’eau, la variation de température jusqu’à ébullition est ΔT, M_a la masse d’eau évaporée et la chaleur latente L de vaporisation de l’eau. Dans ce modèle, les pertes de conduite ne sont pas prises en compte, de sorte qu’elles sont considérées par les changements d’énergie pour le poêle. Les pertes de convection et de rayonnement peuvent être calculées pour le poêle et la casserole en fonction de la température de surface pendant la combustion. La convection est calquée sur la loi de refroidissement de Newton :

Lorsque q est le transfert de chaleur, le coefficient de transfert de chaleur h, la surface A, la température de surface T_s et T_∞ la température durayonnement atmosphérique T’dans l’environnement. Il est calqué sur la loi de Stefan-Boltzmann :

Où est la chaleur transférée, est l’émissivité, est la constante Stefan-Boltzamann, α est absorbé par, T_∞⁴ température ambiante du fluide et T_s⁴ température de surface. Les transferts d’énergie sont basés sur les termes des masses sur le poêle et la casserole. Les termes d’énergie stockés sont basés sur la chaleur spécifique au matériau selon l’équation suivante :

Où m est la masse, c_p chaleur spécifique et variation de température ΔT. Par conséquent, les théories fondamentales du transfert de chaleur, combinées à la loi de l’économie d’énergie déterminent l’ampleur et l’emplacement des pertes de chaleur du poêle. À l’aide de l’équation suivante (TUKANA, 1993) :

Enfin, l’efficacité peut être calculée par l’expression du rapport des énergies de sortie et d’entrée :

Pour cette proposition avec un accent plus quantitatif, l’enseignant sera en mesure d’utiliser le poêle à fusée dans les classes expérimentales pour enseigner: la quantité de chaleur, la chaleur spécifique, la chaleur latente, la conservation de l’énergie, la première loi de la thermodynamique, la loi de Stefan-Boltzmann et d’autres sujets de la thermodynamique.

7. CONSIDÉRATIONS FINALES

Les propositions de pratiques expérimentales, lorsqu’elles sont incluses dans le programme d’études, devraient tenir compte de la réalité de l’environnement scolaire dans lequel elle est insérée. Par conséquent, le critère dans le choix est nécessaire pour impliquer les étudiants dans les activités. Les étapes trop laborieuses de l’assemblage, des mesures et des calculs des activités doivent être réfléchies afin qu’elle ne détourne pas l’élève de l’objectif essentiel.

La connaissance scientifique de la physique a en soi la dimension, nécessairement, la compréhension théorique des concepts, mais aussi la preuve à travers des expériences. Ces deux dimensions sont complémentaires. Par conséquent, la pratique expérimentale devient inséparable de la théorie dans le processus de transposition didactique.

Le choix d’un laboratoire divergent permet un environnement de liberté créative, d’interaction de groupe, de test et de réfutation d’hypothèses d’une manière dynamique et participative. Toutefois, l’enseignant doit être en mesure de signaler les possibilités sans donner de réponses directes et de solutions aux difficultés des élèves, car dans ce type de proposition, ils assument une position d’autonomie.

En bref, le choix d’une expérience avec des matériaux à faible coût, des propositions durables et l’assemblage par les étudiants eux-mêmes devient avantageux dans les écoles où il n’y a pas de ressources de laboratoire. La pratique expérimentale du poêle à roquettes a présenté une possibilité multidisciplinaire qui va au-delà de l’enseignement simple des sujets thermodynamiques et la preuve expérimentale des sujets vus dans les classes théoriques. Les élèves se sentaient liés à une expérience qui impliquait un problème quotidien commun pour beaucoup d’entre eux.

8. Merci

Je remercie vivement la Fondation de soutien à la recherche de Paraíba (FAPESQ-PB) pour la subvention continue de formation des enseignants de l’édit n° 009/2019 en tant que quotas de bourses d’études du programme semi-aride Gira Mundo Israël, accordé par le Gouvernement de l’État de Paraíba.

RÉFÉRENCES

AXT, R. O papel da experimentação no ensino de ciências. Tópicos atuais em ensino de Ciências. Porto Alegre: Sagra, 1991.

BORGES, A.T. Novos rumos para o laboratório escolar de Ciências. Caderno Brasileiro .de Ensino de Física, v. 19, n. 3: p.291-313, 2002.

BURNHAM-SLIPPER, Hugh; CLIFFORD, Michael John; PICKERING, Stephen J. Breeding a Better Stove: the Use of Genetic Algorithms and Computational Fluid Dynamics to Improve Stove Design, 2009

CARVALHO, Ricardo Luis Teles de; SILVA, Adeildo Cabral da; LOMBARDO, Magda Adelaide. Saúde e risco ambiental: o caso dos usuários de fogão a lenha no estado do Ceará, região Nordeste do Brasil. Multidimensão e Territórios de Risco. Universidade de Coimbra, p. 513-517, 2014.

COELHO, et al. Conceitos, atitudes de investigação e metodologia experimental como subsídio ao planejamento de objetos e estratégias de ensino. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 17, n. 12: p. 122-149, 2000.

DA SILVA, Edson Araujo. O Ensino de Física e as Energias Renováveis. Revista Acervo Educacional (online), v. 1, p. e1309-e1309, 2019.

Dana, B. Design Manual: Rocket box cook stove. Appropriate infrastructure development group. 2009.

DE ANDRADE, Jorge Augusto Nascimento; LOPES, Nataly Carvalho; DE CARVALHO, Washington Luiz Pacheco. Uma análise crítica do laboratório didático de física: a experimentação como uma ferramenta para a cultura científica. 2009.

FARIA, Filipe Pereira; CARNEIRO, Marcelo Carbone. O papel da experimentação na história do ensino de Física no Brasil. Debates em Educação, v. 12, n. 26, p. 36-51, 2020.

FORÇA, Ana Claudia; LABURÚ, Carlos Eduardo; DA SILVA, O. H. M. Atividades experimentais no ensino de física: teoria e práticas. VIII ENCONTRO NACIONAL DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM CIÊNCIAS, v. 7, 2011.

GANDIGUDE, Aashish; NAGARHALLI, Madhva. Review of Rocket Cook-Stove Geometrical Aspects for its Performance Improvement. Materials Today: Proceedings, v. 5, n. 2, p. 4743-4747, 2018.

GOLDEMBERG, José; LUCON, Oswaldo. Energy and environment in Brazil. Estudos avançados, v. 21, n. 59, p. 7-20, 2007.

HODSON, Derek. Hacia un enfoque más crítico del trabajo de laboratorio. Enseñanza de las ciencias: revista de investigación y experiencias didácticas, p. 299-313, 1994.

KANBACH, Bruno G.; LABURÚ, Carlos E.; SILVA, Osmar HM. Razões para a não utilização de atividades práticas por professores de física no ensino médio. Simpósio Nacional de Ensino de Física, v. 16, 2005.

MAIA, A.; GOMES, C. Possível uso da biomassa como alternativa para o fornecimento de energia do Brasil. Anais do XLI Simpósio Brasileiro de Pesquisa Operacional, v. 197, 2009.

MAZORRA, Javier et al. Panorama do uso de fogões melhorados no Semiárido brasileiro. Sustainability in Debate/Sustentabilidade em Debate, v. 10, n. 2, 2019.

NOKOBUNVA. Rocket Stove, 2016. Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Rocket_Stove.png . Acesso em 20 de maio de 2020.

OCHIENG, C. A.; VARDOULAKIS, S.; TONNE, C. Are rocket mud stoves associated with lower indoor carbon monoxide and personal exposure in rural Kenya?. Indoor Air, v. 23, n. 1, p. 14-24, 2013.

OKONKWO, Ugochukwu C. et al. Development of a rocket stove using woodash as insulator. Journal of Engineering and Applied Sciences, v. 10, n. 1, p. 1-13, 2017.

PEARCE, Joshua M. Teaching physics using appropriate technology projects. The Physics Teacher, v. 45, n. 3, p. 164-167, 2007.

PINHEIRO, T.F. Aproximação entre a ciência do aluno na sala de aula da 1° série do 2° grau e a ciência dos cientistas: uma discussão. Dissertação de Mestrado. CED/UFSC. Florianópolis, SC. 1996.

PINHO ALVES, J. Regras da transposição didática aplicadas ao laboratório didático. Caderno Catarinense de Ensino de Física, Florianópolis, v. 17, n. 2, p. 174-188, ag. 2000.

PINHO ALVES, José. Atividade experimental: uma alternativa na concepção construtivista. VIII Encontro de Pesquisa em Ensino de Física, 2002.

RAJPUT, R. K. A textbook of engineering thermodynamics. Firewall Media, 2010.

SANTOS, Pedro Vieira Souza. Elaboração de Projetos Práticos como Suporte ao Processos de Ensino-Aprendizagem de Física. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Edição 03. Ano 02, Vol. 01, p. 253-264, 2017.

SÉRÉ, M.G. La enseñanza em el laboratório? Qué podemos aprender em términos de conocimiento práctico y de actitudes hacia la ciência? Enseñaza de las Ciencias, v. 20, n. 3, p.357-368, 2002.

STILL, Dean; WINIARSKI, Larry. Increasing fuel efficiency and reducing harmful emissions in traditional cooking stoves. Boiling Point, v. 47, p. 36-39, 2001.

SUBEDEE, Bijay Raj et al. Use of Rocket stove for firewood savings and carbon emission reductions by the households involved in Allo (Girardinia diversifolia) fiber processing at Khar VDC, Darchula District, Nepal. International Journal of Latest Engineering and Management Research, v. 2, p. 28-35, 2017.

TUKANA, S.; LLOYD, C. R. Wood cookstoves in Fiji. Renewable energy, v. 3, n. 2-3, p. 165-172, 1993.

WINIARSKI, Larry. Ten Design Principles for Wood Burning Stoves. Retrieved May, v. 25, p. 2011, 1982.

WITT, Mark; WEYER, Kristina; MANNING, David. Designing a Clean-Burning, High-Efficiency, Dung-Burning Stove: Lessons in cooking with cow patties. Creswell Oregon: Aprovecho Research Center, 2006.

Errata

Cet article présente les erratas suivants :

Dans ce travail, nous avons choisi le laboratoire divergent, parce que sa dynamique permet à l’étudiant de travailler de vrais systèmes physiques, permettant l’approche de problèmes tout aussi réels dont les réponses ne sont pas préconçues. En outre, les étudiants peuvent choisir le schéma et la procédure à adopter au cours de l’étude. Au stade de l’exercice, tous les élèves doivent répondre à une série de questions communes à tous les élèves, procédures, mesure, tous visant à la formation pour la deuxième étape. Dans la deuxième étape, les élèves décident quelle activité ils effectueront, leurs objectifs et hypothèses à tester, juste après l’interaction avec l’enseignant, il peut y avoir des modifications et des corrections éventuelles, ainsi que la vérification de la viabilité du matériel disponible et le temps d’effectuer l’expérience (PINHO-ALVES, 2000; BORGES, 2002).

Les paramètres sont liés à la taille de la cheminée, de la chambre à combustible et de l’entrée d’air et des ouvertures de sortie du feu. Si les ouvertures sont trop petites, vous ne serez pas en mesure de brûler le carburant correctement et générerez de la fumée. D’autre part, si les ouvertures sont excessivement grandes, la chaleur s’échappe et ne sera pas utilisée efficacement pour chauffer la casserole par épuisement. Les dimensions des paramètres suivent les principes de Winiarski (1982) et les paramètres géométriques sont trouvés par les formules d’Okonkwo et al (2017) et Dana (2009), qui sont:

^[1] Doctorat en physique de la matière condensée, master en physique de la matière condensée, spécialiste en méthodologie d’enseignement de la physique et diplôme en physique.

Envoyé : juillet 2020.

Approuvé : juillet 2020.