Étudier les séismes au collège avec des smartphones

• Introduction
• Les objectifs à atteindre
• La place de l’activite dans la séquence
• L’app Vibrometer
• Le tracé de sismogrammes selon l’intensité des séismes
• La simulation de séismes avec des briques en plastique (des Lego^TM, quoi)
• La simulation d’ondes sismiques
• L’évaluation par curseur
• Conclusion

Introduction

Des activités pratiques autour des séismes sont nombreuses, adaptées le plus souvent au cycle 3 (effets de site sur une maquette de tremblement de terre) ou au lycée (le plus souvent, utilisant des capteurs piézoélectriques et le logiciel Audacity^TM). L’idée développée ici est le développement d’activités adaptées aux programmes du collège avec plusieurs paramètres à prendre en compte :

• une activité correspondant aux programmes officiels, qui ne demandent pas de détailler la vitesse de propagation des ondes sismiques matériaux, si ce n’est pour la découverte de la structure de la Terre ;
• une activité de travaux pratiques, les sciences de la vie et de la Terre sont des sciences expérimentales ;
• une activité faite rapidement, les séances au collège étant souvent d’une heure ;
• une activité aisée de mise en œuvre pour des collégiens, à la fois d’un point de vue logistique et d’un point de vue notionnel ;
• une activité intéressante à réaliser par les élèves, leur intérêt, difficile à maintenir, devant être stimulé ;
• une activité aboutissant à une production élève, une activité « juste pour voir comment ça se passe » étant assez peu intéressante à mes yeux ;
• une activité permettant l’évaluation de compétences expérimentales.

L’activité pratique décrite dans cet article vise donc à proposer une activité pratique à la portée des collégiens, qui s’accompagne d’une activité numérique mettant en œuvre une tablette ou un smartphone, matériel désormais facile d’accès pour les élèves.

Les objectifs à atteindre

Le programme de SVT de cycle 4 du B.O. spécial du 26/11/2015, entré en vigueur à la rentrée 2016, est assez laconique dans sa formulation concernant l’étude des séismes :

Les compléments de ces programmes, parus le 22/02/2017, proposent des activités reflétant les connaissances exigibles sur cette thématique.

Les connaissances retenues pour l’étude des tremblements de terre sont :

• les séismes se produisent le long de failles de la croute terrestre ;
• la rupture au foyer provoque l’apparition d’ondes sismiques P, S et L dont la forme diffère ;
• les ondes sismiques sont enregistrées par un sismomètre, qui trace un sismogramme ;
• … et c’est bien suffisant !

Les connaissances à acquérir sont assez simples, elles seront plus poussées au lycée.

La place de l’activite dans la séquence

Les documents mis à la disposition des élèves et le cahier élève (le détail de la programmation est disponible dans l’Espace enseignant) montrent la place de l’activité de la séquence. Celle-ci se situe après une étude de cas d’un séisme récent et de quelques manifestations. Les élèves découvrent que ces manifestations permettent de classer ces épisodes sur l’échelle EMS98, graduée de I à XII, mise à leur disposition lors de l’activité. Celle-ci s’appuie sur la connaissance de cette échelle sismiques et permet de faire le lien avec la notion de sismogramme et d’échelle de Richter. La genèse des séismes par le mouvement brusque au niveau d’une faille est abordé à la suite de cette activité.

Une activité de classe inversée est demandée avant la séance utilisant le smartphone : elle consiste à visionner une animation sur le fonctionnement d’un sismomètre réel et à s’initier à l’allure d’un sismogramme :

• Fonctionnement d’un sismomètre réel
  
  Voir l’animation sur le site du CEA
• Sismogramme du séisme de Jausiers du 7 avril 2014
  
  

  Signal de Cagnes-sur-Mer
  Signal du séisme enregistré par la station du Réseau Accélerométrique Permanent (R.A.P.) à Cagnes-sur-Mer, gérée par Géoazur à Sophia Antipolis.

L’app Vibrometer

Vibrometer^TM est une app freemium disponible sur Android^TM et iOS^TM. Son principe est simple : elle utilise l’accéléromètre du smartphone ou de la tablette pour mesurer les mouvements du sol. Si le but affiché est de prévenir le possesseur de l’appareil de l’occurrence d’un tremblement de terre – une utilité discutable -, ses fonctionnalités lui confèrent un intérêt pédagogique :

• le tracé en temps réel des mouvements de l’appareil selon les axes X, Y et Z ;
• la catégorisation des mouvements selon l’échelle EMS98.

L’abscisse du graphique représente le temps alors que l’ordonnée représente la valeur instantanée de l’accélération du point de mesure de l’onde sismique selon un ou des axes donnés (X, Y, ou Z). La forme générale de la courbe est classiquement celle d’un oscillateur harmonique amorti, puisque le sismogramme matérialise en quelque sorte le « mouvement » ou l’accélération d’une particule du terrain soumise à la traversée de l’onde sismique sinusoïdale. L’app Vibrometer^TM permet donc de simuler le tracé de sismogrammes similaires à ceux réalisés par des sismomètres.

Une fonction importante du smartphone ou de la tablette tactile est également utile pour cette activité : la possibilité de réaliser une capture d’écran ou snapshot réalisée différemment selon les terminaux iOS^TM et Android^TM. L’interface propose de taper sur l’icône d’appareil photo pour réaliser une capture d’écran de l’enregistrement. Cependant, l’app demande un accès aux photos de l’appareil, ce qui n’est pas forcément souhaitable compte tenu du fait que cet accès permet à l’app de collecter des informations sur le possesseur de l’appareil et à les transmettre à l’éditeur de l’app. Utiliser la fonction de capture d’écran de l’appareil permet de s’affranchir de cette collecte d’infos – mais malheureusement pas de toutes les autres qu’il effectue en arrière-plan.

Enfin, il est préférable que les appareils soient en mode avion pendant l’utilisation de l’app. Outre le fait que toute communication cellulaire ou internet sera coupée – on évite ainsi tout échange de SMS, de MMS, de SnapChat ou autre -, on bloque ainsi l’affichage de toute publicité – l’app un des moyens classiques de vente de temps d’attention et d’espace pour des publicités. Toute distraction et perte de temps sont ainsi évitées.

Un tutoriel d’utilisation de l’app réalisée par deux de mes élèves :

Le tracé de sismogrammes selon l’intensité des séismes

Le principe de cette activité est de faire la relation entre l’échelle EMS98 (qui classe les séismes selon leur intensité) et la magnitude des séismes. Pour cela, l’activité est très simple :

1. demander aux élèves de réaliser des sismogrammes correspondant à un séisme d’intensités IV (accélération maximale : 1 m/s²), VII (accélération maximale : 3,5 m/s²) et XII (accélération maximale : > 17 m/s²) ;
2. pour chacun de enregistrements, effectuer une capture d’écran ;
3. transférer les photos sur un ordinateur sur lequel est installé LibreOffice^TM Writer (logiciel de traitement de textes) ;
4. insérer les photographies dans un document type pour montrer l’amplitude des mouvements selon l’intensité d’un séisme correspondant.

1. Les élèves doivent effectuer des mouvements plus ou moins amples et rapides pour atteindre l’intensité demandée. L’utilisation de l’app ne pose qu’une difficulté pratique : lorsque le smartphone/tablette est secoué pour réaliser un enregistrement, Vibrometer^TM met en gras, en temps réel, le degré d’intensité du séisme auquel les mouvements correspondent. Lorsque ces derniers sont importants et rapides, il est difficile de voir si le niveau de secousses demandé est atteint. Une manière de savoir si les mouvements représentent bien ceux d’un tremblement de terre du degré demandé est d’indiquer la valeur d’accélération des mouvements : les élèves peuvent ainsi, après avoir secoué leur smartphone/tablette, savoir s’ils ont été suffisamment importants.

2. La capture d’écran se réalise de manière différente selon les systèmes d’exploitation des téléphones, comme le présentent les illustrations ci-dessous.

© AndroidPIT

© Apple

Les images capturées sont intégrées à la Bibliothèque de photos du smartphone/tablette.

Intensite IV sur Vibrometer^TM

Intensite VII sur Vibrometer^TM

Intensite XII sur Vibrometer^TM

3. Le transfert des photos sur ordinateur peut se faire de manière filaire (USB) – ce qui implique que chaque équipe d’élèves dispose d’un câble idoine -, par Bluetooth, par AirDrop^TM – si le smartphone/tablette et l’ordinateur sont la marque Apple^TM – ou via une borne wifi nomade telle que celle-ci. Les images doivent être copiées sur l’ordinateur pour pouvoir être insérées dans le document à produire, elles seront invisibles dans le logiciel de traitement de textes si elles ne sont que sur le terminal nomade.

Échelle EMS98 de Vibrometer^TM

4. Dans LibreOffice^TM Writer, un document type contenant un tableau à deux lignes doit être complété par les captures d’écran réalisées par les élèves. Ils doivent également traduire en français les effets du séismes indiqués dans l’app, ce qui permet de mobiliser leurs compétences en langues vivantes. Ce document LibreOffice^TM Writer est à sauvegarder et à imprimer, soit directement depuis le poste des élèves, soit depuis celui de l’enseignant, selon le matériel disponible et la configuration des ordinateurs.

Document complété avec les sismogrammes réalisés avec Vibrometer^TM

Enregistrement de sismogrammes avec Vibrometer^TM en classe de cinquième

Transfert de sismogrammes sur ordinateur en classe de quatrième

La simulation de séismes avec des briques en plastique (des Lego^TM, quoi)

La simulation de séismes avec des briques en plastique ou Lego^TM peut être chronophage, mais elle peut être l’occcasion de réaliser une capsule vidéo sur les effets des séismes, voire sur les comportements à adopter en cas de séisme. Dans ce cas, les choix effectués dans l’agencement des constructions amène le débat sur l’urbanisme et, par voie de conséquence, sur les compétences d’éducation à la citoyenneté. Enfin, en variant les dispositions des constructions y l’esbroufe architectures, il est possible d’explorer ou de tester des dispositifs parasismiques et des effets de site (collines qui amplifient les ondes, par exemple). Ce type d’activité, qui permet de rendre les élèves acteurs de leurs savoirs, est détaillé dans cet article.

Le principe de l’activité est le suivant :

• réaliser une maquette d’une ville, plus ou moins complexe, posée sur une planche. L’idée est de ne pas utiliser de plaque permettant de fixer les briques, afin qu’elles puissent rester mobiles ;
• placer un smartphone avec l’app Vibrometer^TM activée pour enregistrer les mouvements de la plaque et visualiser les dégâts provoqués par ces derniers ;
• photographier ou filmer les effets du séisme.

Cette activité peut reprendre des éléments de l’activité précédemment décrite : la capture d’écran des sismogrammes et la mise en relation des séismes avec les effets sur les constructions humaines. La vidéo ci-dessous donne une idée – certes, ici avec une construction de cité trop complexe – de ce que la capsule vidéo réalisée par les élèves peut être :

Pour les enseignants qui décideraient de lancer les élèves dans une telle aventure, la lecture du vademecum pour créer une capsule vidéo évitera bien des déconvenues !

La simulation d’ondes sismiques

Dans les connaissances listées au début de cet article, l’existence d’ondes sismiques P, S et L est du niveau des élèves de cycle 4. Pour pouvoir les simuler, l’app Vibrometer^TM propose l’enregistrement des mouvements sur les trois axes X, Y et Z, symbolisé chacun par une couleur différente. Ces enregistrements selon les trois directions étant simultanés, l’objectif de cette activité est de faire réaliser les mouvements et les sismogrammes successivement selon chaque axe, comme présenté dans la vidéo ci-dessous :

La pile de livres de poche (petits, légers, faciles à trouver au CDI, ils sont donc facilement maniables par les petites mains des élèves) représente le bloc de roches à travers lequel les ondes sismiques se propagent. La consigne de cette activité indique comment le montage doit être réalisé, ainsi que les axes correspondant aux différentes ondes sismiques.

Chaque axe peut être masqué en tapant sur le nom de chacun d’eux, sous le sismogramme. Ceci signifie bien que seuls le ou les axes désirés peuvent être affichés, mais celui ou ceux qui sont masqués sont bien enregistrés. Dans cette activité, il s’agit donc de n’afficher qu’un seul axe et de déplacer la pile de livres selon cet axe. L’élève peut ensuite réaliser une capture d’écran et la transférer sur ordinateur, comme décrit plus haut.

Enregistrement des ondes P dans Vibrometer^TM

Enregistrement des ondes S dans Vibrometer^TM

Enregistrement des ondes L dans Vibrometer^TM

Avec LibreOffice^TM Writer, un document type est fourni aux élèves afin qu’ils y insèrent les trois captures d’écran correspondant aux trois types d’ondes sismiques P, S et L.

Sismogrammes des ondes PSL avec Vibrometer^TM – correction

Par cette activité, les élèves peuvent ainsi mettre en relation les mouvements du sol et les sismogrammes.

L’évaluation par curseur

Les activités proposées dans cet article sont des tâches complexes. C’est donc un certain nombre de compétences que l’enseignant peut évaluer à travers elles :

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre
> Identifier et choisir les outils et les techniques pour garder trace de ses recherches (à l’oral et à l’écrit)


Utiliser des outils numériques
> Utiliser des logiciels d’acquisition de données, de simulation et des bases de données


Lire et comprendre
> S’approprier le document en utilisant des repérages de nature différente : indices extralinguistiques, linguistiques, reconstitution du sens, mise en relation d’éléments significatifs

Les activités de tracé de sismogrammes correspondant aux intensités des séismes et des ondes P, S et L mettent en jeu les mêmes compétences. Elles permettent donc, par l’utilisation de la même app Vibrometer^TM et de LibreOffice^TM Writer, de réinvestir la connaissance des logiciels et les compétences listées ci-dessus. De plus, le fait que l’app soit en anglais amène les élèves à étudier cette langue vivante dans un autre contexte que celui des cours d’anglais.

Conclusion

L’intérêt de l’app est que tout élève peut réaliser ses propres sismogrammes, aisément interprétables grâce à l’échelle EMS98 intégrée et la possibilité de masquer les axes de mouvement. Les activités proposées ici ne sont qu’un petit aperçu des applications pédagogiques employant l’app Vibrometer^TM. Chaque enseignant pourra en imaginer d’autres ! Ainsi, l’app propose d’avertir l’utilisateur en cas de séisme réel. Je ne pense pas que cela soit très utile pour réaliser des enregistrements, dans la mesure où l’appareil n’est pas orienté de manière standardisée, mais cette fonction peut tout à fait donner une idée de l’intensité de l’évènement.

En revanche, l’élève peut tout à fait réaliser des enregistrements à son domicile d’évènements sismiques anthropiques tels que tirs de dynamite dans des carrières, le passage de poids lourds, de trains ou de métros à proximité, afin de mesurer les nuisances provoquées et proposer des activités autour de l’éducation au développement durable et la santé des élèves.