10 H. Plus spécifiquement dans cette séquence, l élève apprendra à :

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1 Planification Planification : 13 Système respiratoire Durée : 6-8 périodes Ce document est un regroupement des informations contenues sur le site ciip-esper.ch. Il ne s agit pas de court-circuiter ce site, mais de rendre ses informations plus accessibles avec un document linéaire. De plus, il ne s agit pas d un document rigide, mais plutôt d un outil visant à faciliter le travail de l enseignant. Sentez-vous libre de modifier l approche ou l ordre des éléments abordés. Résumé : L objectif de la séquence est d amener l élève à découvrir le système respiratoire, la structure des poumons et leur fonctionnement. Ce système est aussi étudié de manière à mettre en évidence les liens entre la respiration et la circulation sanguine, ainsi que les échanges d oxygène et de gaz carbonique au niveau des alvéoles pulmonaires et des cellules de l organisme. La composition de l air inspiré et de l air expiré est étudiée par l expérimentation. Plus spécifiquement dans cette séquence, l élève apprendra à : représenter le système respiratoire et en nommer ses différentes parties expliquer la mécanique ventilatoire interpréter une représentation du système respiratoire faire le lien entre le système respiratoire, la circulation et les cellules différencier le parcours de l air inspiré et de l air expiré nommer les constituants de l air inspiré et de l air expiré, ainsi que leurs proportions respectives L élève s exercera aussi à : faire des observations sur un organe et en déduire des informations sur sa fonction formuler des hypothèses cohérentes par rapport au phénomène observé (la respiration) modéliser (système respiratoire et respiration) Dans cette séquence, après une activité introductive, le choix a été fait d aborder l anatomie et le fonctionnement du système respiratoire avant de traiter des gaz de la respiration et des échanges au niveau alvéolaire et cellulaire. 10 H

2 Les activités peuvent cependant être faites dans un autre ordre : Les activités 2 et 3 peuvent être interverties. Les activités 4 et 5 peuvent être interverties. Les activités 2 et 3 peuvent être faites après les activités 4 et 5. L activité 6 peut être effectuée à tout moment après l activité introductive à la séquence. Quelques exercices supplémentaires sont également disponibles. Deux fichiers (exercices et corrigé) pdf facilement imprimables sont disponibles sur le site d animation. Activités Objectifs et déroulement Difficultés de l élève Fait Activité 1 Qu est-ce respirer? FT 13-3, 13-4 que Cette activité introductive permet aux élèves de se questionner et de formuler des hypothèses à partir d une situation. Se questionner sur le concept de respiration et échanger autour d une question générale : «Qu est-ce que respirer?» S exercer au débat scientifique. Matériel : aucun matériel A partir des deux images proposées, les élèves répondent aux questions en formulant des hypothèses. Ils peuvent le faire de manière individuelle ou par groupe de deux élèves. Un rappel de la page 28 de l aide-mémoire peut s avérer utile. Question 2 b : Lors de la mise en commun, il faut favoriser et retenir les hypothèses sur le fonctionnement du système respiratoire, la mécanique respiratoire, la composition de l air inspiré et expiré, car ce sont celles-ci qui vont être abordées dans la suite de la séquence. Les hypothèses qui ne seront pas testées ensuite sont à éliminer. Pas de difficulté majeure. Toutefois, le site propose le prérequis suivant : «Connaître du système cardiovasculaire qu'il transporte l oxygène utile à l organisme et le gaz carbonique toxique à travers le corps.». Le chapitre concernant le système cardiovasculaire propose le prérequis suivant : «Connaître que le système respiratoire apporte de l oxygène utile au fonctionnement de l organisme et élimine du gaz carbonique toxique.». A vous de faire un choix.

3 Activité 2 Structure et fonctionnement du système respiratoire. FT 13-5, Dans cette activité l élève trie et sélectionne des informations issues d un texte scientifique en vue de compléter la légende d un schéma du système respiratoire. Acquérir une représentation de l appareil respiratoire en identifiant les organes impliqués ainsi que les endroits où circulent de l air et du sang riche oxygène ou en gaz carbonique. Identifier et nommer, sur un schéma anatomique, les principaux organes du système respiratoire. Lecture d un texte scientifique en vue d en tirer les informations nécessaires. Expliquer que le système respiratoire permet d amener l oxygène jusqu au sang et d éliminer le gaz carbonique. Distinguer, au sein du poumon, les voies conductrices d'air (bronches, bronchioles) des zones d'échanges entre l'air et le sang (alvéoles). Matériel : Ecorché humain ou modèle de poumons Partie 1 Questionnement Dans un premier temps, l'enseignant ouvre la discussion autour de la question "Comment imagines-tu que le système respiratoire peut-être représenté?" et les élèves font leurs propositions. Il est possible de proposer aux élèves une fiche avec une silhouette humaine (disponible sur le site d animation chap. 13) afin qu ils puissent dessiner comment ils imaginent le système respiratoire dans le corps. L air inspiré entre dans les poumons, l air expiré en ressort. Ce n est qu un simple aller-retour en direction des poumons. Difficulté à appréhender le transport par le système circulatoire de l oxygène et du gaz carbonique entre les poumons et les cellules de l organisme. Difficulté à conceptualiser les voies conductrices d'air des zones d'échanges entre l'air et le sang. Difficulté à conceptualiser et se représenter le passage alvéole-sang ou sang-cellule, dont le mécanisme est une boîte noire.

4 Partie 2 : Modélisation Pour la partie modélisation, les élèves lisent le document et légendent le schéma, ils ajoutent les flèches en rapport avec la circulation de l air et colorient les capillaires sanguins selon le type de sang transporté. Partie 3 : Mise en commun et synthèse Lors de la mise en commun, préciser les termes qu il faudra absolument connaître (il est admis que les termes "vésicule" et "bronchiole» ne sont pas indispensables). Après la mise en commun, la F.S "Ventilation : structure et fonctionnement du système respiratoire" peut être présentée aux élèves. En fonction des difficultés des élèves : Proposer des stratégies de lecture aux élèves. Avec les élèves présentant plus de difficultés d apprentissage, lire le texte ensemble et souligner les éléments importants pour compléter le schéma ou lire le texte par petits morceaux et compléter la légende du schéma au fur et à mesure. Montrer le système respiratoire à l aide d un écorché humain ou d un modèle de poumons. Lister les termes qui doivent apparaître dans la légende du schéma. Montrer le fonctionnement de la respiration à l aide de l animation flash : Du système respiratoire à l alvéole.

5 Activité 3 Mécanique respiratoire (ventilation) FT 13-7, 13-8 Cette activité permet de découvrir le rôle et le fonctionnement du diaphragme dans la respiration grâce à un modèle simple. Etudier le rôle du diaphragme et des muscles respiratoires dans le processus d'entrée ou de sortie d air des poumons respectivement lors de l inspiration et de l expiration. Modéliser le trajet de l air lors des mouvements d'inspiration et d'expiration (ventilation). Matériel : Pour un modèle de cage thoracique avec un poumon à assembler soimême ou à faire assembler par les élèves : Bouteilles en PET transparente, petits ballons de baudruche, grands ballons de baudruche, tuyaux de PVC ou paille, ruban adhésif, colle, cutter, ciseaux. Partie 1 : Questionnement L'enseignant ouvre la discussion autour de la question : "Les poumons ont-ils des muscles pour faire entrer ou sortir l air?" et les élèves font leurs font leurs propositions. Partie 2: Réalisation du modèle L'enseignant a la possibilité de présenter un modèle de thorax avec son (ses) poumon(s) déjà assemblé ou de le faire construire par les élèves (il faut compter environ 45 minutes pour la construction). Une fiche de travail est disponible sur le site d animation. Collectivement ou par groupe d élèves, le travail se poursuit autour du modèle de thorax avec son (ses) poumon(s). Confusion des poumons avec des «sacs» qui se remplissent et se vident d air de manière active. La modélisation apporte une représentation erronée du volume de la cage thoracique. Elle laisse penser qu il est fixe. La modélisation laisse penser qu il y a beaucoup d espace rempli d air entre le poumon et la cage thoracique.

6 Les élèves complètent leur fiche de travail. La préparation du modèle du thorax avec son (ses) poumon(s) ne pose qu une difficulté particulière, celle du perçage d un trou à la bonne taille dans le bouchon de la bouteille plastique. Celui-ci peut être effectué à l aide d une perceuse, d un fer à souder ou d un cutter. L étanchéité doit ensuite pouvoir être garantie au passage du tuyau de PVC. Il est possible de le faire à l aide de pâte à modeler ou de scotch autour du tuyau de PVC à l intérieur du bouchon à vis. Un joint silicone reste cependant la meilleure solution en termes d étanchéité, de résistance et de durabilité. Il est possible de remplacer le bouchon à vis de la bouteille en PET par un bouchon en caoutchouc percé d un trou et ayant les bonnes dimensions. Le petit ballon de baudruche doit être fixé sur le tuyau de PVC de manière étanche à l aide du ruban adhésif. Le fond d un grand ballon de baudruche doit recouvrir la section de la bouteille en PET préalablement coupée. Il est possible de le faire mieux tenir à l aide de ruban adhésif. Si l on dispose d un raccord en «Y», il est possible de confectionner un modèle de thorax avec deux poumons. Le modèle de thorax à un poumon suivant est cependant plus simple à confectionner et permet de faire les mêmes manipulations. La trachée n est alors pas modélisée.

7 Système respiratoire : Modèle thorax avec poumon ERRATA concernant le point de côté Les causes précises du point de côté ne sont toujours pas complètement connues. Cependant, les nouvelles données scientifiques (Saubade, M., et al. 2016) ne confirment pas que le point de côté serait lié à une crampe du diaphragme, contrairement à ce qui est écrit dans la partie «Le savais-tu?». Le texte sera modifié dans la prochaine version du classeur élève. Réf. : Saubade, M., et al. (2016). Que sait-on sur le «point de côté» lié à l effort? Revue Médicale Suisse, (525),

8 Activité 4 Echanges gazeux au niveau des alvéoles et des cellules. FT 13-9, Cette activité permet de modéliser la respiration au niveau alvéolaire et au niveau cellulaire en la mettant en lien avec la circulation. Modéliser les échanges gazeux entre le sang et les alvéoles. Modéliser les échanges gazeux entre le sang et les cellules. Modéliser le transport de l O 2 et du CO 2 par la circulation sanguine. Représenter les échanges à l aide d un schéma simple. Expliquer que le système respiratoire permet d amener l oxygène jusqu au sang et d éliminer le gaz carbonique. De distinguer, au sein du poumon, les voies conductrices d'air (bronches, bronchioles) des zones d'échanges entre l'air et le sang (alvéoles). Matériel : aucun matériel Partie 1 : Questionnement L'enseignant ouvre la discussion avec la question : "J ai lu que si l on dépliait complètement nos poumons, il serait largement possible de recouvrir le sol de la classe. Qu en penses-tu?" et les élèves font leurs propositions. Il faut rappeler aux élèves que c est l oxygène qui nous est utile et qui doit être présent dans l air inspiré. Il paraît judicieux lors de la mise en commun de parler ou de rappeler l existence des globules rouges et de leur rôle dans le transport actif de l oxygène et du gaz carbonique. A la fin de cette activité, il est adéquat de distribuer les deux F.S et Difficulté à appréhender le transport par le système circulatoire de l oxygène et du gaz carbonique entre les poumons et les cellules de l organisme Difficulté à conceptualiser les voies conductrices d'air des zones d'échanges entre l'air et le sang. Difficulté à conceptualiser et se représenter le passage alvéole-sang ou sangcellule, dont le mécanisme est une boîte noire.

9 Activité 5 Les gaz de la respiration. FT 13-11, 13-12, Cette activité permet de mettre en évidence les gaz présents dans l air inspiré et dans l air expiré par l expérimentation. Mettre en évidence les gaz présents dans l air inspiré et dans l air expiré. Comparer les gaz présents dans l air inspiré et dans l air expiré. Suivre un protocole d expérimentation. Observer un phénomène en variant un seul facteur à la fois. Matériel : Pour le groupe : 2 éprouvettes remplies à moitié d eau de chaux, paille, seringue de 50 ml sans l aiguille, vitre. Partie 1 : Questionnement L'enseignant ouvre la discussion autour de l'une ou l'autre des questions suivantes (ou les deux) : "Pourquoi cela fait-il comme de la fumée lorsque l on respire en hiver?" "Drame : un paysan s est tué en descendant dans son silo à maïs. Que s est-il passé?" et les élèves font leurs propositions. Partie 2: Expérimentation L'enseignant présente puis distribue le matériel utile à chaque groupe d élèves. Les élèves effectuent les deux expériences, complètent leur fiche de travail et remplissent le tableau de valeurs en estimant si les quantités des différents gaz contenus dans l air inspiré ont augmenté ou diminué. L eau de chaux doit être préparée suffisamment à l avance. Il s agit en effet de L air inspiré contient de l oxygène et l air expiré contient du gaz carbonique.

10 préparer une solution d hydroxyde de calcium en solution saturée. Pour ce faire : Remplir un grand bécher d eau déminéralisée. Ajouter des cuillerées de poudre d hydroxyde de calcium jusqu à ce qu il ne soit plus possible d obtenir par mélange un liquide transparent. La solution est alors blanchâtre, donc saturée. Laisser reposer. Plusieurs heures sont parfois nécessaires. Récupérer avec précaution le surnageant transparent dans un autre bécher. L eau de chaux est prête à être utilisée. Attention! L eau de chaux est un produit toxique, corrosif et basique (ph 12,5). Il est indispensable de la manipuler avec précaution et de rendre les élèves attentifs au danger. Lors de la manipulation, l'enseignant et/ou les élèves doivent être équipé avec gants, lunettes et blouses, cheveux attachés si nécessaire. L'enseignant choisit de faire l expérience avec l eau de chaux en démonstration ou de laisser ses élèves faire l expérience sous une surveillance assidue. En cas de contact de l eau de chaux avec la peau, faire couler de l eau sur la zone concernée. Les fiches de travail de l activité 5.1 et 5.2 permettent aux élèves retenir des parties choisies de la démarche scientifique, mais ne constitue pas un compte rendu complet de l expérience. Ainsi, le choix a été fait de faire rédiger les étapes de l observation et l analyse des résultats et non la partie hypothèse et conclusion (description des résultats sous forme de texte (a) de schéma (b) et l interprétation (c)).

11 Activité 6 Observation et dissection d un poumon de FT Cette activité permet de mettre en évidence des relations structures-fonction de la respiration grâce à l observation et la dissection d un système respiratoire. Observer les structures du poumon. Etudier des relations entre structure et fonction du poumon. Suivre un protocole d'observations. Structurer et présenter les observations sous forme de textes et de schéma. Matériel : Pour la classe : 1-2 Systèmes cœur-poumons avec trachée et œsophage, nombre de poumons ou morceaux de poumons en fonction du nombre de groupe d élèves, baguettes de verre ou aiguilles à tricoter, pailles, pipettes, cuves de dissection, ros ciseaux, brucelles, béchers, écorché humain, modèle de poumons. Attention à l élimination des déchets carnés (voir directive éventuelle) Référence de matériel spécifique La commande et l achat des poumons se fait par l intermédiaire des bouchers ou des abattoirs. Lors de la commande, préciser le souhait d obtenir des poumons en un seul morceau et avec une découpe permettant d observer les bronches, voire un bout de la trachée. Si cela est possible, demander au moins un système cœur-poumons avec trachée et œsophage afin d avoir un système respiratoire complet et de pouvoir faire une comparaison anatomique et géographique des voies respiratoire et digestive. "Comment imagines-tu l intérieur des poumons?" Partie 1 : Préparation de l observation L'enseignant prévoit un système cœur-poumons avec trachée et œsophage Confusion des poumons avec des «sacs» qui se remplissent et se vident d air de manière active. Appréhension des élèves.

12 pour une démonstration collective. L'enseignant présente le matériel à utiliser. Un écorché humain ou un modèle de poumons sera le bienvenu pour faire le lien entre les structures observées sur le système cœur-poumons et sur un modèle. Partie 2 : Observation du système cœur-poumons Activité collective, l'enseignant présente le système cœur-poumons. L'enseignant incite les élèves au repérage et à l observation des structures qui composent le système cœur-poumons. Les élèves décrivent, sur une feuille séparée, la structure du larynx et de la trachée. Partie 3 : Observation d un poumon La suite de l activité se déroule par groupe de 5 à 6 élèves. Les élèves repèrent et observent les structures à travers lesquelles passent l air. Les élèves notent leurs observations. Partie 4 : Observation d un morceau de poumon L activité se poursuit par groupe de 2 élèves. Les élèves observent le contenu du morceau de poumon et sa structure.

13 Les élèves notent leurs observations. Partie 5 : Mise en commun et synthèse Discussion, échanges au sein de la classe avec l'enseignant. Mise en commun avec l'enseignant des observations et des réponses aux questions. Cette activité favorise le suivi d un protocole d observations et la rédaction d observations sur la structure du poumon. Il est possible de faire dessiner et légender le système cœur-poumons ou le poumon. Pour des questions de volume, de conservation dans un frigo et d élimination des déchets carnés, il ne faut surtout pas envisager d équiper chaque groupe d élèves avec un système cœur-poumons entier. Prévoir à l avance la commande et l achat du système cœur-poumon, des poumons ou des morceaux de poumon.