PRATIQUE DE LABORATOIRE

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1 MINISTÈRE DE LA COMMUNAUTÉ FRANÇAISE ENSEIGNEMENT DE LA COMMUNAUTÉ FRANÇAISE Administration Générale de l'enseignement et de la Recherche Scientifique Service général des Affaires pédagogiques, De la Recherche en Pédagogie et du Pilotage de l'enseignement organisé par la Communauté française ENSEIGNEMENT SECONDAIRE ORDINAIRE DE PLEIN EXCERCICE Humanités générales et technologiques Enseignement secondaire général et technique de transition Deuxième degré PROGRAMME D'ETUDES DES COURS DE BIOLOGIE et de PRATIQUE DE LABORATOIRE 219 / 2003 / 240

2 AVERTISSEMENT Le présent programme est d application à partir de l année scolaire , dans les deux années du deuxième degré d enseignement général et technique de transition. Il abroge et remplace : Pour ce qui est de la troisième année d études, le programme provisoire 219P/2003/240 ; Pour ce qui est de la quatrième année d études et du cours de biologie, les programmes : - 315/60 de 1979 ; - 7/2495 du 08/01/1973 ; - 7/4955 du 11/08/1980.

3 TABLE DES MATIERES Partie «METHODOLOGIE» Pages Introduction 3 Compétences transversales 4 Compétences disciplinaires 6 Principaux savoir-faire 9 Exemples de séquences 13 Bibliographie 15 Partie «STRUCTURATION DES APPRENTISSAGES» Troisième année (G. et T.Tr.) Sciences à 5 périodes Planification des thèmes du cours de biologie 19 Thèmes du cours de Biologie à 2 pér./sem. (niv A) 20 - Thème 1 : aller plus haut pour être plus fort? 20 - Thème 2 : buvez éliminez!!! 37 - Thème 3 : S.O.S. globules blancs! 44 - Thème 4 : sur la piste des aliments! 59 - Thème 5 : s associer, une question de vie ou mort? 72 Sciences à 3 périodes Planification des thèmes du cours de biologie 80 Thèmes du cours de Biologie à 1 pér./sem. (niv B) - Thème 1 : mangez, pourquoi? 81 - Thème 2 : des stages en altitude pour les sportifs, un luxe? 93 - Thème 3 : à la découverte de notre station d épuration! 107 1

4 Sciences à 5 périodes Pratique de laboratoire (niv A) Considérations générales Organisation du cours et considérations méthodologiques Listes d activités 118 Quatrième année (G. et T. Tr.) Sciences à 5 périodes - Planification des thèmes du cours de biologie pour la 4 e année. 121 Thèmes du cours de Biologie à 1 pér./sem. (niv A) - Thème 6 : merci les plantes!!! Thème 7 : stress, un peu mais pas trop! Thème 8 : un enfant si je veux, quand je veux. 141 Sciences à 3 périodes - Planification des thèmes du cours de biologie pour la 4 e année. 150 Thèmes du cours de Biologie à 1 pér./sem. (niv. B) - Thème 4 : communiquer. Com! Thème 5 : attention! les microbes attaquent Thème 6 : ma sexualité je me protège

5 INTRODUCTION Au deuxième degré, les disciplines scientifiques poursuivent l acquisition de démarches d apprentissage entreprises au premier degré et plus spécialement la démarche scientifique, laquelle, à partir de situations-problèmes (énigmes) développe : - la découverte et l analyse de la réalité ; - la comparaison des faits observés notamment en vue de leur classement ; - le questionnement et la formulation d hypothèses (pistes) ; - la vérification expérimentale ; - la validation de résultats ; - l induction de lois ; - la construction de modèles ; A ce niveau, l approche inductive reste essentielle. Par rapport au premier degré, l élève sera associé à la construction de modèles évolutifs plus complexes. Toute activité devra s articuler sur un ancrage expérimental et puiser autant que possible sa motivation dans des situations de la vie courante. Précisons cependant que tous les sujets d étude ne se prêtent pas toujours à une expérimentation. C est le cas notamment en biologie. Par exemple, en anatomie comparée, la démarche repose sur des manipulations basées sur des comparaisons. En outre, par rapport aux acquis de l'enseignement fondamental (anatomie fonctionnelle) et du premier degré de l'enseignement secondaire (mise en évidence des interrelations entre différents systèmes) s ajoutera une approche physiologique. Dans le prolongement de la réforme entreprise au premier degré, le présent document a pour but de mettre en évidence les compétences communes aux trois disciplines scientifiques. * * * Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 3

6 COMPÉTENCES TRANSVERSALES a) en relation avec les contenus (concepts, notions et mots-clés) reconnaître - restituer - associer a.1 Maîtrise des notions et concepts - Vocabulaire courant ; - Vocabulaire spécifique (mots-clés) ; - Notions et concepts ; - Association et relations entre notions et concepts. a.2. Connaissance des caractéristiques, règles, conventions, représentations - Connaissance des caractéristiques (propriétés) ; - Connaissance des règles, des lois, des hypothèses, des principes ; - Connaissance des conventions, des représentations (symboles, formules, équations, nomenclature, modèles ). b) en relation avec la démarche de résolution d'une situation-problème INTERROGATION HYPOTHESES Face à une difficulté (question ouverte) nouvelle, la personne interpellée émettra des hypothèses, VERIFICATION dont elle vérifiera la pertinence : - soit en se référant à une théorie, - soit en s'appuyant sur une démarche expérimentale, DECISION CONCLUSION avant de fonder sa décision sur les hypothèses qui lui paraissent les plus significatives. Elle précisera le domaine de validité de la conclusion adoptée. Remarque : Cette démarche, tout en débordant du domaine strictement scientifique, ne se prétend pas universelle. Néanmoins, elle fait partie de la formation générale d'un individu. Son application au domaine scientifique sera développée dans la partie consacrée aux compétences disciplinaires. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 4

7 c) en relation avec la communication c.1. extraire et consigner des informations. Lors de la recherche d'une information : - déterminer les sources (bibliothèques, dictionnaires, journaux, documents audiovisuels,...) ; - utiliser la documentation (catalogue, table des matières, index alphabétique,...) ; - isoler les éléments directement en rapport avec le problème posé en les présentant sous une forme organisée et structurée. c.2. rédiger un texte, un rapport et le communiquer. - présenter une réponse claire et concise à une question ponctuelle ; - décrire correctement, par voie orale, éventuellement en s'appuyant sur un graphique, un schéma, un objet, une action, un phénomène,... ; - présenter, de manière claire et précise, une réponse écrite à une question ouverte en respectant des consignes éventuelles : a) du point de vue de la forme : texte lisible, structuré, aéré et sans fautes d'orthographe, phrases courtes, simples, sans répétitions, vocabulaire adéquat (mots-clés ),... ; b) du point de vue du contenu : mise en exergue de l'essentiel dans le respect de la logique interne, mise en évidence des conclusions - exposer un sujet, un problème déterminé devant une assemblée (groupe, classe, auditoire,...) ; - en plus des exigences requises pour l'élaboration d'un document écrit, la communication orale requiert des qualités de décontraction, d'élocution claire et un vocabulaire adapté au public d) en relation avec l'organisation du travail - gérer rationnellement son emploi du temps et sa méthode de travail. Les compétences transversales décrites ci-dessus (b, c et d) seront concrétisées lors des activités visant au développement des compétences disciplinaires. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 5

8 COMPÉTENCES DISCIPLINAIRES L apprentissage de la démarche scientifique installé au 1 ier degré se renforcera et se précisera au deuxième degré pour s accomplir entièrement au 3 ième degré. Il s agit bien d une formation à un état d esprit, à une manière de voir les faits et les événements, spécifique aux disciplines scientifiques mais qui peut s appliquer à la vie quotidienne. Cette démarche est applicable en biologie, avec cependant une variante pour quelques domaines particuliers par exemple : anatomie, systématique, évolution, écologie ; où l expérimentation au sens strict n est guère applicable. Ces principes fondamentaux de la démarche scientifique étaient déjà énoncés et définis en 1865 par C. Bernard dans son ouvrage «Introduction à la méthode expérimentale». La démarche scientifique Il s'agit d'obtenir de la part des élèves qu'ils réagissent d'une manière objective, raisonnée et créative devant toute situation-problème en l'analysant et en tentant de la résoudre selon une démarche scientifique basée sur des faits en utilisant des méthodes et techniques appropriées. Cette démarche comprend deux phases essentielles : a) la méthode expérimentale qui procède de manière inducto-déductive (points 1 à 5) b) la méthode déductive (point 6) Les étapes mentionnées ci-dessous ne seront pas toujours toutes présentes dans une séquence d'enseignement. Elles : - seront pour la plupart liées à des observations ; - gagneront à être accompagnées d'une discussion qui sera de nature à nuancer la prise de décision ou la conclusion ; - ne se dérouleront pas nécessairement dans l'ordre où elles sont énumérées ; d'ailleurs, il est possible que l'on soit, à un moment donné, amené à retourner à une étape antérieure. Toute étude d'une situation-problème peut consister à : 1) Observer, notamment, la situation-problème. - recueillir par les sens, éventuellement par l'intermédiaire d'un instrument de mesure, des informations émanant de la réalité. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 6

9 2) Analyser la situation et émettre des hypothèses. - rechercher des relations entre les faits ; - rechercher les variables susceptibles d'influencer le phénomène ; - distinguer la variable dépendante des variables présumées contrôlées ; - prévoir les tendances éventuelles qui peuvent exister entre chaque variable contrôlée et la variable dépendante. 3) Induire des conclusions à partir d'investigations expérimentales 3.a) Concevoir une démarche destinée à vérifier la pertinence des hypothèses émises : - imaginer une séquence expérimentale ; - concevoir le(s) montage(s) correspondant(s) ; - choisir l'instrument de mesure et l'échelle appropriés. 3.b) Réaliser les expériences : - réaliser le montage expérimental ; - effectuer les mesures (ou repérer les valeurs) ; - établir un tableau de mesures (titres, colonnes, grandeurs, unités,...) ; - préciser éventuellement les incertitudes sur les mesures directes. 3.c) Analyser les résultats expérimentaux, en induire les conclusions et vérifier éventuellement celles-ci : - tirer des conclusions partielles d une expérience ; - interpréter le (ou les) tableau(x) des résultats ; - construire un graphique et l'exploiter ; - conclure quant à la pertinence ou la non-pertinence de chacune des hypothèses formulées. 4) Induire une tendance, un concept, une formule, un principe, une loi, une théorie ou un modèle. - ériger un modèle ; - rechercher la (ou les) relation(s) physique(s) entre la variable dépendante et les variables contrôlées. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 7

10 5) Déduire par la démarche hypothético-déductive - vérifier ; - confronter la formule, la loi, le principe, la théorie, le modèle à la réalité et en déterminer le domaine de validité ; - appliquer les formules, loi, principe, théorie ou modèle 6) Déduire, démontrer, énoncer, établir une formule, une loi, une théorie ou un modèle. Par rapport aux 5 points précédents déjà développés durant le 1 er degré, cette compétence est nouvelle : elle nécessitera donc une phase d'initiation et ne sera véritablement développée qu'à partir de la quatrième année. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 8

11 LES PRINCIPAUX SAVOIR-FAIRE SCIENTIFIQUES Observer et décrire des objets, des faits, des phénomènes pour : - décrire ; - dessiner ; - réaliser un croquis, un schéma et l'annoter. Exploiter un texte, un document pour : - distinguer l'essentiel de l'accessoire ; - repérer les éventuelles incohérences, les impossibilités ; - établir la liaison entre le sujet proposé et la théorie correspondante. Comparer des éléments d'information, des objets, des êtres vivants pour : - structurer l information ; - relater des faits ; - établir des relations entre ces informations ; - dégager les traits essentiels ; - les trier et les classer (notamment de manière dichotomique) ; - les sérier, les ordonner. Préparer une expérience, une manipulation pour : - formuler et identifier le but d une expérience ; - dégager et préciser les conditions expérimentales, faire le plan d une expérience ; - identifier et distinguer la (les) variable(s) contrôlée(s) et dépendante(s) ; Réaliser une expérience : - maîtriser des processus opératoires ; - acquérir des habiletés manipulatoires ; - recueillir, contrôler des résultats. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 9

12 Traiter des données pour : - construire un tableau de données ; - lire, traduire, interpréter un tableau de données ; - construire un graphique ; - lire, traduire, interpréter un graphique ; - construire un schéma ; - lire, traduire, interpréter un schéma ; - tirer une conclusion (dégager des similitudes, généraliser avec prudence, établir une relation). Construire un croquis, un schéma : - recopier un croquis, un schéma en y indiquant des annotations fournies ; - réaliser un croquis d'observation soigné et annoté d'un objet, d'un appareil, d'un montage expérimental ; - passer du croquis au schéma en se limitant aux éléments essentiels et en utilisant les éventuelles représentations conventionnelles ; - dessiner, à l'échelle, un plan, une coupe, un croquis d'observation ; - représenter, d'une manière conventionnelle, un objet, un montage,... Construire un diagramme, un graphique à partir d'un tableau de données : - choisir le type de représentation graphique ; - choisir les deux grandeurs qui seront placées l'une en abscisse, l'autre en ordonnée ; - respecter les conventions: axes, flèches, symboles des grandeurs représentées et des unités SI correspondantes ; - choisir les échelles sur les axes (en physique, les repères ne sont généralement pas normés), et graduer ceux-ci ; - représenter les points sur le graphique en considérant éventuellement les encadrements ; - tracer une ligne passant au mieux par les points (en 5e et 6e, il sera utile d'envisager le problème de la régression). Exploiter un diagramme, un graphique : - identifier les grandeurs représentées, leurs valeurs et les unités dans lesquelles elles sont exprimées ; - retrouver les coordonnées des points construits et, éventuellement, reconstruire le tableau des données ; Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 10

13 - déterminer les couples de valeurs à partir du graphique ; - analyser le graphique : - les points appartiennent-ils à une droite? - les points appartiennent-ils à une courbe régulière? - les points appartiennent-ils tantôt à une partie de courbe, tantôt à une partie de droite? - déceler la relation éventuelle entre 2 grandeurs à partir du graphique. Etablir un rapport d'expérience : - décrire le but de l'expérience ; - présenter l'appareillage ; - expliquer et/ou justifier le mode opératoire ; - dresser les résultats sous les formes les plus adéquates (tableaux, graphiques) ; - analyser les résultats et les discuter (validité du procédé et des résultats) ; - tirer les conclusions. Résoudre un problème numérique ou non numérique : - justifier des faits, expliquer un phénomène à l aide d un principe, d une loi, d une règle ; - résoudre un problème numériquement dirigé ; - résoudre un problème numériquement ouvert ; - transférer, appliquer, inventer (utiliser les notions vues en classe pour solutionner une situationproblème ou réaliser un objet original). Construire, connaître, comprendre, utiliser et faire évoluer un modèle : Un modèle est un outil notionnel construit en vue de représenter, décrire ou expliquer une situation réelle macroscopique ou microscopique. Un modèle aide à interpréter mais aussi à prévoir. Enfin, un modèle ne décrit pas nécessairement la réalité telle qu'elle est mais telle qu'on s'imagine qu'elle pourrait être! a) construire un modèle : - proposer une représentation personnelle (dessin, schéma), d un objet, d un principe, d un système ; - comparer diverses représentations et souligner leurs caractéristiques respectives ; - choisir une représentation parmi divers exemples fournis par les élèves ou parmi diverses versions trouvées dans des manuels, des revues, Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 11

14 b) connaître et comprendre un modèle : - préciser le sens de chaque élément, de chaque représentation symbolique du modèle; - énoncer un principe, une règle, une loi permettant d utiliser le modèle ; - traduire avec des phrases une représentation schématique du modèle ou d une partie de celui-ci. c) utiliser, tester un modèle : - appliquer une règle, une loi, un principe dans une situation analogue à celles déjà rencontrées ; - prédire l effet de changement de divers facteurs ; - comparer les prévisions avec des données expérimentales. d) améliorer, faire évoluer un modèle : - préciser les défauts, les limites d une représentation ; - proposer une ou plusieurs amélioration d une représentation ; - comparer, critiquer plusieurs représentations proposées ; - choisir une représentation améliorée ; - vérifier si les modifications apportées améliorent le rapprochement entre les prévisions et des données expérimentales. Exécuter, utiliser des procédures automatisées : - utiliser des notions ou procédures vues en classe pour reproduire une ou des opérations étudiées ; - prédire l effet de changement de divers facteurs ; - utiliser l outil informatique. Communiquer (utiliser des notions découvertes en classe pour les communiquer à l'aide d'un type de langage convenu vers un destinataire considéré) : - rédiger un rapport d une expérience réalisée par le professeur (démonstration) ; - rédiger un rapport de manipulation de pratique de laboratoire. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 12

15 EXEMPLES DE SÉQUENCES MONTRANT L APPLICATION DE LA MÉTHODE SCIENTIFIQUE 3G : Thème n 4 Digestion des aliments Transformation des aliments en nutriments Prérequis Notions liées aux Socles de compétences : - anatomie du tube digestif, - quelques notions élémentaires de physiologie (aliments «cassés», surtout action mécanique). Observation Aliments consommés. Analyse des constituants des repas. Différents types d aliments : minéraux, organiques. Composition des aliments : grandes catégories des aliments organiques. Quelques réactions les caractérisant : - solubilité dans l eau, - eau iodée, - Fehling, - Hypothèse, raisonnement Que vont devenir les aliments? Hypothèses émises par les élèves. Retenir les plus significatives : - les aliments, du moins en partie, vont passer dans le sang (pourquoi ) - quels traitements vont-ils subir pour permettre ce passage? Expérience Réaliser quelques expériences sur la digestion des aliments. Par exemple : Salive - sur glucides (glucose saccharose amidon cellulose) - sur blanc d œuf Pepsine (ou pancréatine) - sur blanc d œuf - sur glucides Bile : propriété particulière (émulsion) Tirer les informations des résultats expérimentaux. Théorie Les sucs digestifs rendent assimilables les aliments. Ils les transforment en nutriments. Spécificités des sucs digestifs, tous les aliments ne sont pas attaqués par les sucs digestifs. Construction d un tableau général sur l action des sucs digestifs. Schéma de transformation : - glucides, - protides, - lipides Enchaînement sur séquence suivante : - Absorption des nutriments - Devenir des aliments non attaqués. - Présence des bactéries leurs rôles. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 13

16 4G : Thème n 1 Fabrication des aliments par les végétaux verts. Photosynthèse. Prérequis Notions liées aux Socles de compétences : - Anatomie sommaire du végétal (racine feuille tige) - Séquence précédente : entrée d eau-sels minéraux-transpiration - Reproduction (sexuée et asexuée) - Rôles des Végétaux dans les réseaux trophiques Observation Aliments chez les végétaux : - tubercule, - racine tubérisée, - cotylédon, - graine, - Présence des aliments. Caractère de quelques aliments (amidon, eau iodée). Hypothèse, raisonnement D où viennent ces aliments? Imaginer qu ils sont fabriqués dans la plante. À partir de quoi? Rappel historique : Van Helmon. Expérience Théorie Réaliser quelques expériences simples sur la photosynthèse. - Fabrication d amidon à la lumière (feuille avec cache ) - Conditions de la photosynthèse. a) Plante aquatique verte. Eau +CO 2 lumière Eau bouillie lumière Eau +CO 2 obscurité b) Plante non verte lumière c) Identification du gaz rejeté Tirer les informations des résultats expérimentaux. A la lumière, les plantes vertes fabriquent à partir d eau et de CO 2 de l amidon et de l oxygène. Écrire la réaction chimique. Équilibrer. Enchaînement sur prochaine séquence : - Autres aliments fabriqués. - Circulation. - Mise en réserve. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 14

17 BIBLIOGRAPHIE A. Ouvrages de pédagogie A.1. Pédagogie générale. ABERNOT Yvan, Les méthodes d évaluation scolaire. Edition Bordas, Paris, ASTOLFI Jean-Pierre, L école pour apprendre. Collection Pédagogies, édition ESF, Paris, BERBAUM Jean, Développer la capacité d apprendre. Collection Pédagogies, édition ESF, Paris, CARDINET Jean, Evaluation scolaire et mesure. Edition De Boeck-Wesmael, Bruxelles, DE KETELE Jean-Marie, L évaluation: approche descriptive ou prospective? Edition De Boeck-Wesmael, Bruxelles, de VECCHI Gérard, Aider les élèves à apprendre. Collection Nouvelles approches, édition Hachette, Paris, DEVELAY Michel, De l apprentissage à l enseignement. Collection Pédagogies, édition ESF, Paris GIRY Marcel, Apprendre à raisonner, apprendre à penser. Collection Nouvelles approches, édition Hachette, Paris MAGER Robert F, Comment mesurer les résultats de l enseignement? Edition Bordas, Paris, VANDEVELDE Louis, Aider à devenir. Edition Nathan, Paris, A.2. Didactique des sciences ASTOLFI Jean-Pierre et al., Compétences méthodologiques en sciences expérimentales. Edition INRP, Paris, ASTOLFI Jean-Pierre et DEVELAY Michel, La didactique des sciences. Collection Que sais-je? (n 2448), édition PUF, Paris, CALANDE Guy et al., Plaisir des sciences. Collection Pédagogies en développement, édition De Boeck, Bruxelles, CHALMERS Alan F, Qu est-ce que la science? Edition La Découverte, Paris, FOUREZ Gérard, La construction des sciences Collection Le point philosophique, édition De Boeck, Bruxelles, 1988 GIORDAN André et de VECCHI Gérard, Les origines du savoir. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 15

18 Edition Delachaux et Niestlé, Paris, JOSHUA Samuel et DUPIN Jean-Jacques, Introduction à la didactique des sciences et des mathématiques. Collection Premier cycle, édition PUF, Paris, MARTINAND J-L et al., Enseignement et apprentissage de la modélisation des sciences. Edition INRP, Paris, Revue ASTER, département «didactiques des disciplines», INRP, Paris. - n 2, 1986, Eclairage sur l énergie. -n 7, 1988, Modèles et modélisation. -n 8, 1989, Expérimenter, modéliser. -n 14, 1992, Raisonner en sciences. -n 16, 1993, Modèles pédagogiques 1 -n 17, 1993, Modèles pédagogiques 2. Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 16

19 PARTIE «STRUCTURATION DES APPRENTISSAGES» Troisième année (Gén. Et T.Tr.) : Sciences à 5 périodes Thèmes du cours de Biologie à 2 pér./sem. (niv A) Sciences à 3 périodes Thèmes du cours de Biologie à 1 pér./sem. (niv B) Sciences à 5 périodes Pratiques de laboratoire (niv A) Quatrième année (Gén. et T.Tr.) Sciences à 5 périodes Thèmes du cours de Biologie à 1 pér./sem. (niv A) Sciences à 3 périodes Thèmes du cours de Biologie à 1 pér./sem. (niv B) Biologie 2 ème degré Partie " Méthodologie " 17

20 COURS DE BIOLOGIE AU DEUXIEME DEGRE : SIX CONCEPTS ET LEURS PRINCIPALES NOTIONS RELATIONS DES ETRES VIVANTS ORGANISATION DES E.V EDUCATION A LA SANTE 0 Cours de Biologie, 2 ème degré de l enseignement secondaire Général et Technique de Transition LES GRANDES FONCTIONS HISTOIRE DE LA VIE ET DES SCIENCES LES HOMMES ET L'ENVIRONNEMENT 18

21 Planification des thèmes du cours de Biologie pour la 3 ème année (Gén. et T.Tr.) Sciences à 5 périodes/semaine Biologie à 2 pér./sem. (niv A) Thème n 1 : Aller plus haut pour être plus fort? 18 périodes Thème n 2 : Buvez, buvez éliminez! 4 périodes vacances d'hiver Thème n 3 : S.O.S. globules blancs! 10 périodes Thème n 4 : Sur la piste des aliments! 12 périodes Thème n 5 : S'associer, une question de vie ou de mort? 10 périodes 19

22 Thème 1 : Aller plus haut pour être plus fort? Considérations générales La séquence poursuivra les objectifs suivants : Découvrir la physiologie de la respiration afin de pouvoir comprendre, notamment, les effets de l'altitude sur l'organisme et l'adaptation de celui-ci à ces effets. Au niveau de la troisième générale, les effets retenus sont l'hyperventilation, l'augmentation de la fréquence cardiaque et l'augmentation de la quantité de globules rouges. Développer les compétences liées à la cellule animale. Après avoir utilisé le terme de manière sommaire au 1 er degré (voir définition page 27 et thèmes n 2, 9 et 11), l'observation de différentes cellules (globules, cellules de l'épithélium buccal ) permet d'installer de véritables compétences puisqu'il y a intégration de savoir-faire (utiliser un microscope, schématiser et annoter) et de savoirs (terminologie et structure cellulaires). Poursuivre la mise en évidence qu'au sein d'un organisme, tous les systèmes fonctionnent en interrelation permanente. Ici, ce sont principalement les relations entre les systèmes respiratoire et circulatoire qui seront traitées de manière plus complexe qu'au cours du thème n 11 du 1 er degré. Approfondir la notion de diffusion abordée au 1 er degré. Prolonger l'éducation à la santé et à la citoyenneté en insistant sur les conséquences de la prise de produits dopants (chez les sportifs par exemple) et de l'inhalation de substances toxiques. Considérations méthodologiques Ce premier thème du deuxième degré est assez difficile à cadrer car il constitue une charnière entre les connaissances développées au cours de l'enseignement primaire et du premier degré du secondaire et les notions qui ne seront abordées qu'à partir de la cinquième année. Aussi, il est indispensable de préciser le niveau de formulation des notions suivantes : - durant le premier degré, le terme " système " a été préféré à celui d' " appareil ". Ce choix est confirmé : sa justification se situe à la page 114 du programme 58/2000/240 du 1 er degré ; - en rapport avec l'approche fonctionnelle voulue par les concepteurs de ce programme, la description et les rôles des globules blancs seront abordés dans le thème n 3 " S.O.S globules blancs! " ; Thème n 1 20

23 - en troisième année, la structure cellulaire est liée à la microscopie optique. L'ultrastructure cellulaire sera abordée et développée au troisième degré ; - la diffusion a déjà fait l'objet d'une première approche (voir thème n 4 du programme du 1 er degré) ; elle sera ici complexifiée par les notions de différences de concentration et de perméabilité de la membrane à certaines molécules. Attention, les savoirs liés aux phénomènes d'osmose, de plasmolyse et de turgescence ne seront pas envisagés ; - le terme " molécule " réunit encore - très provisoirement - toutes les entités chimiques (atomes, molécules, ions ). Il serait tout à fait prématuré de vouloir établir ici une "clarification" chimique. Le cours de biologie au deuxième degré ne peut se réduire à une approche théorique. L'acquisition de compétences exige la mise en place d'une pédagogie active qui suppose des activités réalisées par les élèves (manipulations, recherches documentaires, sorties, la maîtrise d'outils spécifiques ). Ces activités ne sont pas réservées aux pratiques de laboratoire : elles font partie du cours! Le contenu de ce thème se prête particulièrement bien à la mise en œuvre des savoir-faire suivants : - utiliser un microscope ; - réaliser un croquis d'observation et l'annoter ; L'initiation au microscope est obligatoire. Vu les difficultés liées à la fois aux conditions matérielles et au nombre d'élèves, nous suggérons les pistes suivantes : - recours aux élèves qui ont déjà été initiés à cette technique dans le cadre du cours de Pratiques de laboratoire ; - utilisation du labobus du Centre Technique et Pédagogique de Frameries pour l'organisation d'une journée consacrée à l'initiation à la microscopie; - aide du préparateur (ce dernier peut seconder le professeur en classe lors de telles activités) ; - répartir la classe en deux groupes (l'un s'initiant à la microscopie pendant que l'autre mène, par exemple, une activité de recherche d'informations) ; -.. En plus du temps prévu dans la planification à l'initiation à la microscopie, il a également été dégagé suffisamment de temps pour que le professeur puisse réaliser les manipulations suivantes: - dissection d'un bloc cœur-poumons ; - diffusion au travers d'une membrane ; - relation entre variations de volume de la cage thoracique et mouvements respiratoires ; Thème n 1 21

24 La présentation linéaire des mots-clés, notions et concepts de différents domaines ne fournit aucunement la structuration de la séquence. Chaque enseignant a la liberté d établir les relations qu il trouve plus judicieuses entre les différents domaines de savoirs à acquérir. Les mots-clés ne sont pas associés à une seule notion, c est pourquoi il n y a pas de césure dans la colonne qui leur est réservée. De plus la maîtrise d un mot-clé ne correspond pas à la mémorisation d une définition mais bien à son utilisation pertinente. Enfin, les savoirs abordés dans ce thème impliquent la maîtrise de notions et de mots-clés rencontrés dans l'enseignement fondamental et au premier degré. a) Enseignement fondamental (4ème cycle : ans) : - " L'enfant prend conscience de sa respiration " (page 67) - mots-clés (page 458) : air, bronche, expiration, gaz carbonique, inspiration, narine, nez, oxygène, poumon, trachée - " L'enfant découvre la circulation du sang " (page 67) - mots-clés (page 487) : sang, artère, cœur, déchet, gaz carbonique, nutriment, oxygène, vaisseau, veine b) Enseignement secondaire (cours de sciences du 1 er degré) : - thème n 4 : diffusion, agitation moléculaire (page 45) ; - thème n 7 : pression atmosphérique ; relation entre pression atmosphérique et altitude (page 80) ; - thème n 8: composition de l'air (page 87) ; solvant, soluté, solvant, concentration et diffusion (pages 85 et 86) ; - thème n 11 : 1. composition de l'air (page 117) ; 2. comparaison entre air inspiré et air expiré (page 117) ; 3. la cellule, siège de la respiration (page 118) ; 4. rôles du système respiratoire = dispositif d'échanges (page 118) ; 5. rôles du système circulatoire ; sang = transporteur (page 119) ; 6. rôles du système digestif : aboutir aux nutriments (page ). Durée prévue pour ce thème : 18 périodes (évaluation comprise) Thème n 1 22

25 THEME N 1 : ALLER PLUS HAUT POUR ETRE PLUS FORT? RELATIONS DES ETRES VIVANTS ORGANISATION DES E.V EDUCATION A LA SANTE Structure de la cellule animale - Hygiène des systèmes circulatoire et respiratoire: drogues chez les sportifs ; inhalation de substances toxiques. 0 Aller plus haut pour être plus fort? Organisation HISTOIRE DE LA VIE ET DES SCIENCES l'homme en altitude Bénéfice de l'altitude LES GRANDES FONCTIONS Anatomie du système respiratoire Anatomie du système circulatoire Circulation Relations entre systèmes respiratoire et circulatoire Diffusion au travers d'une membrane Composition du sang Description des globules rouges Transport des gaz respiratoires Echanges gazeux But de la respiration Mouvements respiratoires LES HOMMES ET L'ENVIRONNEMENT 23

26 Domaines Notions Mots-clés Organisation des êtres vivants Structure de la cellule animale Organisation Tous les êtres vivants présentent la même structure de base, la cellule. Une cellule est formée : - d'une membrane cytoplasmique qui sert de limite entre les milieux extérieur et intérieur de la cellule ; - de cytoplasme, milieu intérieur de la cellule, composé d'un liquide visqueux et d'organites dont le noyau. Chez tous les êtres vivants, les cellules ne vivent que si elles échangent avec le milieu extérieur différentes substances ; ces échanges s'effectuent au travers de leur membrane cytoplasmique. Des cellules de même structure et ayant la même fonction sont groupées en tissus. Plusieurs tissus différents forment un organe Cellule Membrane cytoplasmique Cytoplasme Organite Noyau Tissu Organe Les grandes fonctions Anatomie du système respiratoire chez l'homme Le système respiratoire comprend d'une part, les voies respiratoires qui conduisent l'air atmosphérique aux poumons, et d'autre part les poumons. a) les voies respiratoires : - les fosses nasales sont deux cavités situées après les narines. En les traversant, l'air s'échauffe, s'humidifie et se débarrasse d'une partie des poussières qu'il contient ; - le pharynx, carrefour commun aux voies digestive et respiratoire ; - le larynx (ou pomme d'adam) renferme deux replis membraneux, les cordes vocales ; Système respiratoire Voie respiratoire Poumon Narine Fosse nasale Pharynx Larynx Thème n 1 24

27 - la trachée, gros tube muni d'anneaux cartilagineux incomplets. La paroi interne de la trachée est tapissée de nombreux cils englués de mucus dont le rôle est de retenir les poussières de l'air inspiré ; - les deux bronches, ramifications de la trachée, présentent des anneaux cartilagineux complets ; - chaque bronche, en pénétrant dans un poumon, se ramifie en une multitude de bronchioles. Chaque bronchiole se termine par un sac bosselé, la vésicule pulmonaire ; - chaque vésicule pulmonaire est un ensemble de "bosses", les alvéoles pulmonaires. Trachée Mucus Bronche Bronchiole Vésicule pulmonaire Alvéole pulmonaire Le réseau d'alvéoles pulmonaires : - présente une surface d'échanges très étendue entre le sang et l'air (environ 200 m²) ; - permet les échanges gazeux entre l'air et le sang grâce à une paroi alvéolaire fine, humide et bien vascularisée. b) les poumons, organes mous et spongieux, reposent sur le diaphragme ; ils sont enveloppés d'une double membrane, la plèvre. L'un des deux feuillets de la plèvre adhère intimement au poumon, l'autre colle à la cage thoracique et au diaphragme. Diaphragme Plèvre Cage thoracique Anatomie du système circulatoire chez l'homme Le système circulatoire comprend d'une part, un ensemble de vaisseaux sanguins dans lesquels le sang circule, et d'autre part, une pompe, le cœur assurant cette circulation. a) le cœur est un muscle creux situé dans la cage thoracique entre les deux poumons. Il est formé de deux parties indépendantes, la gauche et la droite, qui ne communiquent pas entre elles. Chacune de ces deux parties comprend deux cavités, une oreillette et un ventricule, qui communiquent entre elles. Système circulatoire Vaisseau sanguin Cœur Oreillette Ventricule Thème n 1 25

28 b) les vaisseaux sanguins comprennent les artères, les capillaires et les veines : - les artères ont une paroi épaisse et élastique. Elles restent béantes lorsqu'elles sont sectionnées. Elles se ramifient en artérioles et cellesci en capillaires ; Artère Artériole Vaisseau capillaire - les capillaires sont les vaisseaux sanguins les plus fins ; ils ont une paroi très mince (une seule couche de cellules). Ils forment, à l'intérieur des organes, un réseau de plusieurs milliers de km. Les vaisseaux capillaires assurent la jonction entre les artérioles et les veinules ; Circulation - Les veines proviennent de la réunion de veinules, elles ont une paroi mince et peu élastique. Elles sont flasques et s'écrasent lorsqu'elles sont sectionnées. Suite à la contraction des ventricules, le sang quitte : - le ventricule gauche par l'artère aorte ; celle-ci distribue le sang dans tout le corps ; - le ventricule droit par l'artère pulmonaire ; celle-ci véhicule le sang jusqu'aux poumons. Arrivé dans les différents organes, le sang y circule à l'intérieur des capillaires. Après échanges entraînant une modification de sa composition, le sang retourne au cœur : - par les veines caves (pour l'ensemble du corps) dans l'oreillette droite ; - par les veines pulmonaires (pour les poumons) dans l'oreillette gauche. Suite à la contraction des oreillettes, le sang est propulsé dans les ventricules. Le sens de la circulation du sang est déterminé par la présence de valvules situées: - entre les oreillettes et les ventricules ; - entre les ventricules et la base des artères aorte et pulmonaire ; - dans les veines des membres inférieurs. Veine Veinule Contraction Artère aorte Ventricule gauche Artère pulmonaire Ventricule droit Veine cave Oreillette droite Veine pulmonaire Oreillettte gauche Valvule Thème n 1 26

29 Relations entre systèmes respiratoire et circulatoire Le système circulatoire pénètre dans les poumons et s'y ramifie. Le sang - pauvre en dioxygène mais riche en dioxyde de carbone - venant du ventricule droit pénètre dans chacun des deux poumons par une artère pulmonaire. Dans chaque poumon, la bronche et l'artère pulmonaire se ramifient parallèlement pour donner naissance à un réseau d'alvéoles entouré d'un réseau de capillaires. C'est à ce niveau que s'établissent les échanges entre l'air alvéolaire et le sang des capillaires. En effet, les vaisseaux capillaires sont les seuls vaisseaux à permettre ces échanges : leurs parois très fines se laissent traverser par les gaz et, leur très faible diamètre, en ralentissant le passage du sang, facilite les échanges. Les vaisseaux capillaires se rejoignent pour former des veinules, qui à leur tour se regroupent en quatre gros vaisseaux, les veines pulmonaires. Les veines pulmonaires relient les poumons au cœur : elles ramènent le sang - riche en dioxygène et appauvri en dioxyde de carbone - vers le cœur, et plus précisément, dans l'oreillette gauche. Diffusion au travers d'une membrane La diffusion est la dispersion d'une substance causée par l'agitation moléculaire : les molécules de cette substance tendent à se répartir uniformément dans tout l'espace disponible. Ce phénomène a lieu chaque fois qu'il existe une différence de concentration d'une substance considérée entre deux zones : la migration de molécules s'effectue toujours d'une zone à forte concentration vers une zone à concentration plus faible. Si ces deux zones sont séparées par une membrane perméable à certaines molécules, la diffusion de ces molécules est également possible. Diffusion Membrane perméable Composition du sang Le sang est un mélange homogène constitué de cellules (globules rouges et blancs) et de fragments cellulaires (plaquettes sanguines) dans un liquide, le plasma. Notre corps en contient environ 5 litres. L'hématocrite est le rapport entre le volume occupé par les globules rouges et le volume sanguin total. Ce rapport, exprimé en pourcentage, est d'environ 45% chez l'adulte Sang Globule rouge Globule blanc Plaquette sanguine Plasma Hématocrite Thème n 1 27

30 Description des globules rouges Les globules rouges ou hématies sont des cellules particulières : elles sont dépourvues de noyau. Leur forme est celle d'un disque aminci au centre : leur diamètre est d'environ 8 µm ; leur épaisseur est d'1 µm au centre et de 2,5 µm sur les bords. Leur nombre est d'environ par mm 3 de sang. Notre corps produit chaque seconde environ globules rouges pour remplacer ceux qui se brisent ou sont détruits dans les mêmes proportions. La production de globules rouges se fait au niveau de la moelle rouge de certains os, notamment, le sternum, les os du bassin et le fémur. Après 3 à 4 mois de vie, les globules rouges sont détruits par le foie et la rate. Les globules rouges sont de véritables " sacs " à hémoglobine : chaque globule rouge contient 300 millions de molécules d'hémoglobine. Hématie µ (micro : 10-6 ) Moelle rouge Foie Rate Hémoglobine Transport des gaz respiratoires : - le dioxygène Grâce à l'hémoglobine, les globules rouges transportent vers toutes les cellules du corps la presque totalité du dioxygène véhiculé par le sang ; le plasma n'en véhicule que très peu (30 ml seulement, soit de quoi vivre 4,5 s). Au niveau des poumons, des molécules de dioxygène pénètrent par diffusion dans le sang. Elles se fixent immédiatement sur des molécules d'hémoglobine pour former des molécules d'oxyhémoglobine : Oxyhémoglobine Hémoglobine + dioxygène Oxyhémoglobine (sang rouge vif) L'oxyhémoglobine donne au sang sa couleur rouge vif. Au niveau des cellules, les molécules d'oxyhémoglobine libèrent les molécules de dioxygène qui diffusent dans les cellules, le sang prend une couleur rouge foncé : Oxyhémoglobine Hémoglobine + dioxygène (sang rouge foncé) Thème n 1 28

31 - le dioxyde de carbone Au niveau des cellules, des molécules de dioxyde de carbone pénètrent, par diffusion, dans le sang. Le dioxyde de carbone est transporté de trois façons : - dissous dans le plasma (7 à 10 % du dioxyde de carbone transporté) ; - combiné à certaines molécules du plasma (60 à 70% du dioxyde de carbone transporté) ; - combiné à des molécules d'hémoglobine pour former des molécules de carbhémoglobine (20 à 30% du dioxyde de carbone transporté) : Carbhémoglobine Hémoglobine + dioxyde de carbone Carbhémoglobine Au niveau des poumons, les molécules du sang combinées au dioxyde de carbone se dissocient : - les molécules du plasma libèrent leur dioxyde de carbone ; - les molécules de carbhémoglobine libèrent également leur dioxyde de carbone : Carbhémoglobine Hémoglobine + dioxyde de carbone Echanges gazeux : - Au niveau pulmonaire Après passage dans les poumons, l'air expiré n'a pas la même composition que l'air inspiré. L'air expiré est : - davantage chargé en dioxyde de carbone (environ 4.5 % contre 0.03 % dans l'air inspiré ) ; - appauvri en dioxygène (environ 15% contre 21% dans l'air inspiré); - davantage chargé en vapeur d'eau. Air inspiré Air expiré Thème n 1 29

32 Ces différences sont la conséquence d'échanges gazeux qui s'effectuent au niveau des alvéoles pulmonaires. Les milieux en présence sont : Echange gazeux - le sang des capillaires, chargé de dioxyde de carbone et appauvri en dioxygène ; - l'air alvéolaire, renfermant du dioxygène en forte concentration et du dioxyde de carbone à faible concentration. Entre ces deux milieux, deux parois minces, humides et perméables : celle des alvéoles et celle des capillaires. La diffusion entre les deux milieux (air alvéolaire et sang des capillaires) s'effectue car les deux conditions suivantes sont remplies : 1. une différence de concentration entre les deux milieux en dioxygène et en dioxyde de carbone ; 2. deux membranes perméables au dioxygène et au dioxyde de carbone. De plus, la diffusion est favorisée par : - une surface de contact importante (plus ou moins 200 m² de surface alvéolaire) ; - un temps de contact suffisant (la vitesse du sang dans les capillaires. est très faible). Le dioxygène diffuse du milieu dans lequel il est fortement concentré vers le milieu dans lequel il est en faible concentration : il passe de l'air alvéolaire vers le sang des capillaires. Le dioxyde de carbone diffuse du milieu dans lequel il est en forte concentration vers le milieu dans lequel il est en faible concentration : il quitte le sang des capillaires et passe dans l'air alvéolaire pour être ensuite rejeté lors de l'expiration. Thème n 1 30

33 - au niveau cellulaire Les milieux en présence sont : - le sang des capillaires, chargé de dioxygène et pauvre en dioxyde de carbone ; - les cellules renfermant du dioxyde de carbone en forte concentration et du dioxygène en faible concentration. Entre ces deux milieux : la membrane plasmique des cellules et la paroi des capillaires, toutes deux perméables. Le dioxygène diffuse du milieu dans lequel il est fortement concentré vers le milieu dans lequel il est en faible concentration : il passe du sang des capillaires vers le cytoplasme des cellules. Le dioxyde de carbone diffuse du milieu dans lequel il est en forte concentration vers le milieu dans lequel il est en faible concentration : il quitte le cytoplasme des cellules et passe dans le sang des capillaires qui le ramène aux poumons. But de la respiration Respirer, c'est transformer l'énergie chimique contenue dans les nutriments. Chaque cellule respire : elle transforme l'énergie contenue dans les nutriments en d'autres formes d'énergie (mécanique, thermique ) et ce, grâce au dioxygène. Ces transformations s'accompagnent d'une production de déchets (dioxyde de carbone, eau ). Le nutriment le plus utilisé est un sucre, le glucose. Le rôle du sang est d'assurer le transport du dioxygène (venant du système respiratoire) et des nutriments (venant du système digestif) vers les cellules et de reprendre les déchets pour les rejeter, notamment, via le système respiratoire. Le rôle du système respiratoire est de constituer une porte d'entrée pour le dioxygène et de sortie pour le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. Respiration Glucose Thème n 1 31

34 Les mouvements respiratoires Les mouvements respiratoires, l'inspiration et l'expiration, ont pour effet de renouveler l'air alvéolaire : c'est la ventilation pulmonaire. Lors de l'inspiration : - le diaphragme s'abaisse ; - les muscles intercostaux soulèvent les côtes et le sternum. Il s'en suit une augmentation de volume de la cage thoracique. Par l'intermédiaire de la plèvre, les poumons adhèrent à la cage thoracique : lorsque celle-ci augmente de volume, les poumons suivent passivement. L'augmentation de volume des poumons entraîne l'entrée d'air : c'est l'inspiration. Lors de l'expiration, les muscles (diaphragme et intercostaux) se relâchent : la cage thoracique diminue de volume, les poumons s'écrasent et rejettent une partie de l'air qu'ils contiennent. Lors des mouvements respiratoires, les poumons sont passifs : ils suivent les mouvements de la cage thoracique. Ce sont les augmentations et diminutions de volume de la cage thoracique qui dictent l'entrée et la sortie de l'air dans le système respiratoire. Lors d'un mouvement respiratoire, soit une inspiration suivie d'une expiration, un volume d'environ 0,5 L d'air entre puis un volume identique sort : ce renouvellement très partiel est suffisant pour assurer l'oxygénation du corps. Même lors d'un mouvement forcé, le volume échangé (environ 3,5 L) ne correspond pas à la quantité totale d'air dans les poumons, il reste toujours un peu d'air : l'air résiduel. C'est le système nerveux qui détermine : - l'amplitude des mouvements respiratoires, c'est-à-dire l'importance des variations de volume de la cage thoracique ; - la fréquence respiratoire, c'est-à-dire le nombre de mouvements respiratoires par unité de temps. Inspiration Expiration Ventilation pulmonaire Diaphragme Muscle intercostal Air résiduel Système nerveux Amplitude respiratoire Fréquence respiratoire Thème n 1 32

35 Les Hommes et l'environnement L'Homme en altitude La pression atmosphérique diminue avec l'altitude. Cette diminution s'explique par la raréfaction de l'air. L'air étant un mélange, cela signifie que le nombre de molécules de chacun de ses constituants diminue : la quantité de dioxygène qui diffuse des poumons vers le sang est donc réduite. En altitude, chaque individu subit une "crise" liée au manque de dioxygène, le mal des montagnes. Celui-ci débute déjà à une altitude d'environ 1000 m et devient sévère dès 3000 m. Cette crise se manifeste notamment par : - une hyperventilation c'est-à-dire une ventilation plus rapide et profonde due à l'augmentation de la fréquence et de l'amplitude des mouvements respiratoires (le volume d'air inspiré par minute augmente) ; - des réactions circulatoires : la fréquence cardiaque augmente (le cœur bat plus vite : il y a plus de sang transporté par minute dans le corps) ; - des troubles du comportement (euphorie, troubles intellectuels, malaises ). Après quelques jours, le corps s'adapte : - la ventilation pulmonaire se régularise ; - la fréquence cardiaque diminue progressivement ; - le nombre de globules rouges dans le sang augmente. Dans les populations de hautes montagnes (Tibet, Andes ), le nombre de globules rouges par mm³ de sang peut atteindre C'est une hormone d'origine rénale, l'érythropoïétine ou E.P.O qui permet cette adaptation : elle stimule la production de globules rouges au niveau de la moelle rouge des os. Thème n 1 33

36 Une hormone est une substance sécrétée par une glande : cette substance véhiculée par le sang agit sur des organes cibles. Lors d'un retour à une altitude proche du niveau de la mer, les différentes adaptations vont disparaître progressivement (plusieurs semaines à plusieurs mois). Bénéfice de l'altitude Toute activité physique est liée à la production d'énergie par les cellules. Cette production est dépendante de la quantité de dioxygène disponible. Si le nombre de globules rouges augmente, la quantité de dioxygène transporté par le sang vers les cellules augmente également : l'énergie produite est plus importante. C'est ce bénéfice que recherchent les sportifs lors de stages prolongés en altitude. Education à la santé Hygiène des systèmes respiratoire et circulatoire a) Drogues chez les sportifs La prise d'e.p.o. rentre dans le cadre général du dopage. Pouvant être fabriquée en laboratoire, cette hormone permet d'augmenter sensiblement les performances dans les sports d'endurance : elle augmente l'oxygénation musculaire par élévation du nombre de globules rouges du sang. De plus, cette substance remporte un large succès auprès des sportifs car elle est très efficace et difficile à détecter (coût très élevé et plusieurs jours d'analyse). Seules des analyses sanguines permettent d'identifier indirectement la présence d'e.p.o. : en cyclisme, si l'hématocrite dépasse 50 %, le sportif est déclaré inapte au travail. La prise d'e.p.o. est dangereuse : en épaississant le sang, elle peut provoquer la formation de caillots et créer ainsi des accidents vasculaires cérébraux ou des infarctus. L'E.P.O. favorise également les poussées de tension artérielle. Thème n 1 34