UTILISER LES TÂCHES COMPLEXES POUR EXERCER LES ELEVES AUX ETAPES 1 ET 3 DE L ECE

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1 UTILISER LES TÂCHES COMPLEXES POUR EXERCER LES ELEVES AUX ETAPES 1 ET 3 DE L ECE PREMIER EXEMPLE : Vers l étape 1 DEUXIEME EXEMPLE : Vers l étape 3 Nathalie Bontempelli Olivier Hanecart Karine Voyer

2 TÂCHES COMPLEXES ET DEMARCHE D INVESTIGATION COMPETENCES = CONNAISSANCES + CAPACITÉS + ATTITUDES

3 PREMIER EXEMPLE : LE METABOLISME D UNE CELLULE Thème 1 Seconde : La Terre dans l Univers, la vie et l évolution du vivant : une planète habitée. Partie : La nature du vivant Connaissances : «De nombreuses réactions chimiques se déroulent à l intérieur de la cellule : elles constituent le métabolisme. Il est contrôlé par les conditions de milieu et le patrimoine génétique.» Capacités et Attitudes travaillées : - Exploiter des documents et mettre en relation des informations pour proposer une stratégie de résolution - Réaliser une manipulation assistée par ordinateur - Obtenir des résultats exploitables et résoudre un problème scientifique

4 UNE TÂCHE COMPLEXE POUR TRAITER DIFFERENTS POINTS DU PROGRAMME Lien structure et métabolisme Identification des souches Lien métabolisme et échanges cellulaires avec l environnement Lien information génétique et métabolisme Idée essentielle : De nombreuses transformations chimiques se déroulent à l intérieur de la cellule : elles constituent le métabolisme. Il est contrôlé par les conditions du milieu et par le patrimoine génétique.

5 METABOLISME D UNE CELLULE Dans un laboratoire de biologie, on étudie le contrôle de la dégradation du glucose en travaillant sur deux souches différentes de cellules de levures : la souche appelée RHO+, capable de dégrader le glucose par respiration, et une autre souche appelée RHO-, incapable de dégrader le glucose par respiration. Flacon contenant une des souches de levure dont l étiquette s est décollée Pour cette étude, le laboratoire dispose de plusieurs flacons contenant chacun une seule souche de levures, placée dans un milieu de culture (eau et sels minéraux) dépourvu de glucose. Mais, mises dans le réfrigérateur, leurs étiquettes se sont décollées. Stagiaire dans ce laboratoire, vous êtes perplexe sur la manière de continuer l étude en cours...

6 PROBLÈMES FORMULÉS PAR LES ÉLÈVES Seconde 1 St Valéry en Caux

7 PROBLÈMES FORMULÉS PAR LES ÉLÈVES

8 QUESTION A partir de l exploitation des ressources, proposer une démarche d investigation permettant : - de retrouver le contenu de chaque flacon - d expliquer pourquoi la souche RHO+ est capable de dégrader le glucose par respiration. La production sera sous la forme de 2 graphiques issus des expériences réalisées, légendés et accompagnés d un court texte explicatif.

9 RESSOURCES Ressource R : la respiration cellulaire, réaction du métabolisme La respiration cellulaire est une réaction se déroulant dans le cytoplasme des cellules au niveau d organites spécialisés appelés mitochondries. Cette respiration consiste à dégrader une molécule organique, le glucose (C 6 H 12 O 6 ) en consommant du dioxygène (O 2 ) ce qui permet la production d énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule. Cette dégradation s accompagne d un rejet de dioxyde de carbone (CO 2 ) et d eau (H 2 O). La respiration cellulaire peut être résumée par l équation suivante : Glucose ( C 6 H 12 O 6 ) + Oxygène ( O 2 ) Dioxyde de carbone ( CO 2 ) + Eau ( H 2 O ) + Energie nécessaire au fonctionnement de la cellule

10 Ressource G : caractéristiques génétiques des souches RHO+ et RHO- Les mitochondries sont des organites intervenant dans la respiration cellulaire. Pour le déroulement de la respiration, ces mitochondries doivent présenter des crêtes mitochondriales fonctionnelles, qui est une caractéristique contrôlée par un gène. Les souches RHO- présentent une mutation pour ce gène, c'est-à-dire une modification de la séquence nucléotidique : cette mutation ne permet pas à la cellule d avoir des crêtes fonctionnelles. Les souches RHO+ possèdent ce gène sans mutation.

11 Ressource E : dispositif EXAO permettant d étudier la respiration cellulaire Un dispositif EXAO (expérimentation assistée par ordinateur) permet de mettre en évidence les réactions du métabolisme : la sonde à CO 2 permet d étudier les variations de concentrations en CO 2, la sonde à O 2 permet d étudier les variations de concentrations en O 2 dans le milieu. Le logiciel présent sur l ordinateur permet de tracer en temps réel les variations de concentrations en O 2 et en CO 2 observées dans le milieu.

12 Ressource E : Matériel à disposition sur la paillasse : -Dispositif EXAO ci-dessus, avec sonde à O 2 et sonde à CO 2 -Deux béchers contenant chacun un échantillon provenant des différents flacons qui ont perdu leurs étiquettes -Matériel divers de laboratoire (verrerie, seringue d injection, pipettes...) -Solution de glucose

13 AIDES A LA RESOLUTION Aide à la résolution de niveau 1 La consommation d O 2 permet de savoir si la souche utilise le glucose par respiration. Aide à la résolution de niveau 2 Un dispositif EXAO va nous permettre de mesurer l évolution de la concentration en O 2 pour connaitre le mode de dégradation du glucose de chaque souche. Aide à la résolution de niveau 3 Un dispositif EXAO va nous permettre de mesurer l évolution de la concentration en O 2 pour connaitre le mode de dégradation du glucose de chaque souche. Si la concentration en O 2 diminue alors la souche respire, et on peut identifier la souche. Aide à la résolution de niveau 4 : La souche qui respire, identifiée par une diminution de concentration en O 2 par le dispositif EXAO, possède une information génétique qui lui permet d avoir des mitochondries fonctionnelles.

14 FAIRE PROPOSER UNE STRATEGIE DE RESOLUTION PAR LES ELEVES - Le problème à résoudre, issu de la situation déclenchante, doit être bien approprié et bien compris par l élève, d où l intérêt de pouvoir le faire formuler. - Chaque ressource fournit au moins une information importante que l élève doit identifier et permettant de résoudre le problème. - Chaque information est à mettre en relation avec les autres permettant de répondre au problème scientifique. - Ce travail est à «griffonner» sous forme de brouillon, pas de rédaction précise attendue, pouvant être fait sous forme de texte, de successions d idées ou d «organigramme-carte mentale», avec organisation libre de la réflexion. Informations issues de la ressource G Informations issues de la ressource R PROBLÈME À RÉSOUDRE Informations issues de la ressource E ELABORATION D UNE STRATEGIE

15 DÉMARCHES PROPOSÉES PAR LES ÉLÈVES

16 DÉMARCHES PROPOSÉES PAR LES ÉLÈVES

17 DÉMARCHES PROPOSÉES PAR LES ÉLÈVES

18 DÉMARCHES PROPOSÉES PAR LES ÉLÈVES

19 DÉMARCHES PROPOSÉES PAR LES ÉLÈVES

20 FICHE PROTOCOLE EXAO FOURNIE APRÈS RÉFLEXION SUR LA DÉMARCHE

21 RÉSULTATS ÉLÈVES Graphique 1 Graphique 2

22 EVALUATION FORMATIVE DANS L ESPRIT «ECE» Etape 1 : Concevoir une stratégie pour résoudre une situation problème Critère 1 : proposer la démarche de résolution : (grande idée = identifier le problème + déterminer les moyens d y répondre) Pour retrouver les différentes souches ce qui permettra de continuer l étude, il faut déterminer quel flacon contient la souche qui respire, en mettant en évidence expérimentalement la respiration et en reliant cela à l information génétique (ou aux mitochondries) de la levure. Critère 2 : description de la stratégie : La respiration cellulaire consomme de l O 2 en présence de glucose. Rho + respire et Rho- ne respire pas, On détermine grâce aux sondes (O 2 et CO 2 ) celle qui respire en présence de glucose. Comparaison par rapport à un témoin. Critère 3 : conséquences vérifiables et résultats attendus : Si la concentration en O 2 diminue et la concentration en CO 2 augmente en présence de glucose : la souche étudiée respire : c est Rho +, elle possède l information génétique permettant le déroulement de la respiration. Si les concentrations en O 2 et en CO 2 ne varient pas en présence de glucose : la souche étudiée ne respire pas : c est Rho : elle possède une information génétique mutée qui ne permet pas la respiration. Niveau A : présence des trois critères Niveau B : présence de deux des trois critères Niveau C : présence d un des trois critères Niveau D : aucun des trois critères A B C D

23 Etape 4 : exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème Critère 1 : saisie des résultats utiles Critère 2 : intégration des notions : lien entre résultats obtenus, les connaissances et les informations des ressources Critère 3 : réponse au problème Sur graphique 1 : -pas de consommation d O 2 en présence de glucose, donc la souche ne respire pas : c est Rho- -elle possède une mutation dans son information génétique ce qui provoque l absence de mitochondries à crêtes, à l origine de l absence de respiration. Remarque éventuelle : production de CO 2 : idée d un autre métabolisme sans consommation d O 2 Sur graphique 2 : - consommation d O 2 en présence de glucose et production de CO 2, donc la souche respire : c est Rho+ - elle possède une information génétique qui permet la présence de mitochondries fonctionnelles à crêtes, à l origine de la respiration. La dégradation du glucose par les 2 souches Rho+ et Rho- (métabolisme de la cellule) dépend de l information génétique qu elles portent. Niveau A : présence des trois critères Niveau B : présence de deux des trois critères Niveau C : présence d un des trois critères Niveau D : aucun des trois critères A B C D

24 SECOND EXEMPLE : LA REGULATION DE LA PRESSION ARTERIELLE Thème 3 seconde : Corps humain et santé : l exercice physique Partie : une boucle de régulation nerveuse Connaissances : «La pression artérielle est une grandeur contrôlée, elle est liée à la fréquence cardiaque. Il existe des capteurs sensibles à la pression artérielle, un centre bulbaire, un effecteur qui est le cœur». Capacités et Attitudes travaillées : - Recenser, extraire et exploiter des documents historiques relatifs à des travaux expérimentaux pour construire et/ou argumenter la boucle de régulation nerveuse évoquée. - Élaborer un schéma fonctionnel pour représenter une boucle de régulation. - Amener les élèves à présenter des résultats expérimentaux sous diverses formes, afin de les exploiter ensuite.

25 UNE REPONSE ADAPTATEE DU SYSTÈME CARDIOVASCULAIRE : le cas d une hémoragie Lors d un effort physique, notre organisme est capable de s adapter en modifiant les paramètres cardiovasculaires. Ceci permet d optimiser le débit sanguin au niveau des organes qui travaillent. Notre système cardiovasculaire peut aussi adapter sa réponse dans d autres cas physiologiques. Dans le cas d une hémorragie, la pression artérielle baisse dans un premier temps, mais retourne vers des valeurs normales malgré la perte de sang. Problème : On cherche à comprendre comment le système cardiovasculaire permet un retour normal de la pression artérielle malgré la perte de sang. (le problème peut être fourni ou à faire formuler par les élèves )

26 Pour résoudre ce problème, vous disposez : - d un logiciel qui vous permet de réaliser virtuellement les expériences historiques de divers physiologistes ayant travaillé sur l origine de la variation de la fréquence cardiaque et de la pression artérielle (logiciel RegulPA). - de documents complémentaires à lire avant d utiliser le logiciel La réalisation d expériences virtuelles en utilisant le logiciel, associée à l exploitation des documents complémentaires, permettra de répondre au problème. (la démarche est ici fournie, elle n est pas à travailler)

27 QUESTION A partir de l utilisation du logiciel et des ressources mises à disposition : - réalisez les expériences de simulations et présentez les résultats sous la forme qui vous semble la plus judicieuse. - expliquez, à partir de l exploitation des résultats obtenus et des documents fournis l enchaînement des mécanismes qui vont permettre un retour à une valeur de pression artérielle normale suite à une hémorragie.

28 Ressource H : paramètres physiologiques avant et après une hémorragie (pression artérielle systolique, volume d éjection systolique et fréquence cardiaque) D après Hachette seconde

29 Ressource N : des liaisons nerveuses entre le système nerveux central et le système cardiovasculaire Les artères carotides sont des ramifications de l aorte qui conduisent le sang vers la tête. Elles possèdent chacune un renflement appelé sinus carotidien. La région des sinus carotidiens est reliée au bulbe rachidien par le nerf de Héring. Schéma RegulPA

30 Ressource E : expériences de Hering en 1924, et résultats dans le tableau. Hering isole le sinus carotidien, le renflement situé à la base de la carotide interne, il le transforme en cul de sac et il y injecte un liquide physiologique en plus ou moins grande quantité, ce qui permet de faire varier la pression : plus il y a de liquide, plus la pression est forte et inversement. Des électrodes réceptrices sont placées sur le nerf de Hering, le nerf parasympathique, et le nerf sympathique. Elles permettent d enregistrer les messages électriques dans chacun des nerfs.

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32 Aide pour regulpa niveau 1 Vous pouvez utiliser la pendule pour évaluer la fréquence cardiaque Si vous clampez ici, la pression augmente dans le sinus carotidien Si vous clampez ici, la pression diminue dans le sinus carotidien Cliquer ici pour afficher les variations de la pression artérielle

33 Aide pour regulpa niveau 2 A chaque étape ci-dessous déterminer la FC et Les 2 valeurs de PA (après avoir déterminé ces mêmes valeurs sans intervenir) puis réinitialiser entre chacune d elles : - Commencer par couper le nerf sympathique. - Procéder de même sur le nerf parasympathique. - Clamper sous le sinus. - Clamper et couper le nerf de Héring. - Clamper au dessus du sinus. - Clamper et couper le nerf de Héring.

34 Aide à la résolution 1 Aide à la résolution 2 Dans l organisme il existe aussi des structures qui jouent le rôle de «capteurs», de «centre de commande», et «d effecteur». Les nerfs reliant ces structures permettent de véhiculer des messages nerveux. Aide à la résolution 3 Dans les sinus carotidiens existent des «capteurs» sensibles à la pression artérielle (barorécepteurs). Les nerfs de Héring sont des nerfs sensitifs, les messages nerveux y circulent de la périphérie vers le centre.

35 EXEMPLE 1 : PRODUCTION DE RESULTATS SOUS FORME DE TABLEAU Seconde D Lillebonne Résultats suite à diverses sections de nerf, et d interruptions de la circulation au niveau des sinus carotidiens Rythme cardiaque en battements/ minute Pression artérielle systolique Section du nerf Héring Section du nerf parasympathique Section du nerf sympathique Clamper partie supérieure sinus carotidien Clamper partie inférieure sinus carotidien Clamper les deux parties sinus carotidien Sans section et sans clamper Pression artérielle diastolique

36 Section du nerf Héring Section du nerf sympathique Clamper partie infèrieur sinus carotidien Sans sections et sans clamper rytme cardiaque et pression artérielle EXEMPLE 2 : PRODUCTION DES RESULTATS SOUS FORME D HISTOGRAMMES Effets des différentes expériences sur le rythme cardiaque et la pression artérielle Rythme cardiaque Pression artérielle systolique Pression artériele diastolique différentes régulations nerveuses

37 EXEMPLE 3 : RÉSULTATS SOUS FORME DE CAPTURE D ÉCRANS

38 EVALUATION ÉTAPE 3 TYPE ECE Etape 3 : Présenter les résultats pour les communiquer Critère 1 : Production techniquement correcte : Expression scientifique des résultats expérimentaux avec respect des critères de réalisation : Tableau Graphique Schéma Images Critère 2 : Production bien renseignée : Titre adapté Légendes complètes, axes bien renseignés, unités exactes Cohérence des données Complément d explications si nécessaire Critère 3 : Production bien organisée qui donne du sens : doit permettre de répondre à l étape 4 Les données sont complètes, logiquement présentées, accompagnées d une ou deux phrases qui donnent du sens et permettent de pouvoir répondre à l étape 4 Niveau A : présence des trois critères Niveau B : présence de deux des trois critères Niveau C : présence d un seul critère Niveau D : aucun des trois critères A B C D

39 Etape 4 : exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème Critère 1 : saisie des résultats utiles Critère 2 : intégration des notions : lien entre résultats obtenus, connaissances et les informations des ressources Eléments de réponse nécessaires pour la compréhension : Immédiatement après l hémorragie la FC augmente alors que la PA a diminué. 5 minutes après la FC est très élevée et la PA revient vers une valeur normale. Le nerf de Héring relie le sinus carotidien au bulbe rachidien Les messages nerveux sont peu nombreux dans le nerf de Héring quand la PA est basse dans le sinus carotidien Dans ce cas, les messages nerveux sont peu nombreux dans le nerf parasympathique et nombreux dans le nerf sympathique C est l inverse si la pression est élevée. Si on coupe le nerf de Héring la fréquence cardiaque diminue. Si on augmente la pression dans les sinus carotidien la fréquence cardiaque diminue et inversement Il existe des récepteurs sensibles à la pression dans les sinus carotidien (ce sont les capteurs) Le nerf de Héring est un nerf sensitif Le bulbe rachidien est le centre nerveux qui régule la fréquence cardiaque et la PA : c est le centre de commande Le cœur est l effecteur de la régulation de la PA Critère 3 : réponse au problème Compréhension globale complète : Explications complètes et ressource R utilisée de manière adaptée pour expliquer la boucle de régulation : Baisse de la PA diminution de messages nerveux dans les nerfs de Héring émission de messages nerveux à partir du bulbe véhiculés par les nerfs sympathiques augmentation de la fréquence cardiaque augmentation de la PA. les Niveau A : présence des trois critères Niveau B : présence de deux des trois critères Niveau C : présence d un des trois critères Niveau D : aucun des trois critères A B C D

40 Rédiger un brouillon Abréviations, faute d orthographe, mots clés, carte mentale, enchainements logiques Étape 1 ECE Ecrit du bac Préparer les élèves à Rédiger, formuler une stratégie de résolution BILAN DES GRANDES IDEES Étape 1 ECE Dans notre pratique Lister l idée essentielle Grilles curseurs I et II2ECE Lister les idées essentielles dans les programmes Communiquer scientifiquement Capture d image, schéma, graphique, organigramme accompagnés de quelques phrases explicatives Étape 3 ECE Définir les règles de communication Concevoir une évaluation personnalisée pour les élèves Apprentissage du II2 Apprentissage du I Apprentissage des étapes des ECE

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