Quand Zack retient sa respiration, quels changements dans son corps rendent le jeu dangereux?

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1 SÉQUENCE N 21 Situation déclenchante (vidéo 1 min 30) Zack fait un concours d apnée dans la piscine gonflable de son jardin. Sa cousine, Kim, se trouve près de lui et compte le nombre de secondes durant lesquelles il maintient sa tête sous l eau et retient sa respiration. Cependant, leur jeu est vite interrompu par l arrivée de la mère de Zack qui découvre, furieuse, que les deux enfants n ont pas tenu compte des nombreuses recommandations qu elle a pu leur faire concernant cette activité. Une fois de plus, celle-ci tente d expliquer à son fils les dangers qu il encourt. Questionnement Quand Zack retient sa respiration, quels changements dans son corps rendent le jeu dangereux? Réponse attendue Lorsque Zack pratique ce jeu, il bloque sa respiration. Il interrompt les mouvements respiratoires naturels de son corps et ne permet plus à l air ni d entrer ni de sortir. Les échanges gazeux entre l air des poumons et le sang ne se font plus normalement, ce qui compromet le bon fonctionnement de ses organes. À la fin de la séquence, la question posée par l'animation et sa réponse construite par la classe doivent apparaître dans le cahier d'expériences. Résumé de la séquence pédagogique Lors des activités menées, l élève étudiera les mouvements respiratoires. Il reconstituera le trajet de l air et la nature des échanges gazeux réalisés dans les alvéoles pulmonaires. Il envisagera l importance de ces échanges dans le bon fonctionnement de l organisme humain et comprendra pourquoi il peut être dangereux de compromettre la bonne réalisation de ces mécanismes respiratoires. Programmes Domaine : Le fonctionnement du corps humain et la santé. Thème : Première approche des fonctions de nutrition : respiration. Prérequis : cycle 2 : les élèves ont repéré les caractéristiques du vivant. Ils ont abordé quelques règles d hygiène et de sécurité personnelles et collectives ; séquence n 20 : première approche des fonctions de nutrition : la digestion. Travail préliminaire Faire le point sur la séquence vidéo en invitant les élèves à résumer le plus fidèlement possible ce qu ils viennent de voir et en vérifiant que la question finale : «Quand Zack retient sa respiration, quels changements dans son corps rendent le jeu dangereux?» a bien été identifiée et comprise (sans aucune interprétation ou analyse de la séquence à ce stade). L enseignant peut effectuer avec les élèves plusieurs lectures de la vidéo, s il juge qu elles sont nécessaires à une meilleure compréhension de celle-ci. Faire émerger les premières représentations des élèves et les noter au tableau. Des propositions très variées pourront être faites telles que : «L air ne peut plus entrer dans notre corps.», «Le nez est bouché, le ventre se bloque.» Les élèves font très souvent référence aux poumons et au cœur car ils ne séparent pas l activité cardiaque de l activité pulmonaire. Les exercices proposés permettront de visualiser le trajet de l air et d écarter la possibilité que le cœur se trouve sur ce trajet. 145 Modalités Durée du travail : travail préliminaire de 30 minutes + une activité de 45 minutes + deux activités de 2 x 45 minutes chacune. Travail individuel et travail par groupes de deux et trois élèves. Organisation des activités Travailler en trois étapes : ACTIVITÉ 1 Comment l air entre-t-il et sort-il de notre corps? ACTIVITÉ 2 Quel trajet l air suit-il dans notre corps? ACTIVITÉ 3 Que se passe-t-il dans nos poumons?

2 Convenir avec les élèves que les pistes d investigation à privilégier sont : l impact du jeu sur l entrée et la sortie de l air de l organisme ; l impact du jeu sur le trajet de l air dans le corps ; l impact du jeu sur les événements ayant lieu dans les poumons. Admettre avec eux que pour apporter des éléments de réponse, il faut étudier ce qu il se passe normalement dans le corps humain, puis envisager les événements qui ne peuvent plus avoir lieu lorsque Zack bloque sa respiration. 146

3 Comment l air entre-t-il et sort-il de notre corps? Phase 1 Par groupes de deux élèves Chaque binôme reçoit les pages 1 et 2 de la fiche élève. Un membre de chaque binôme respire calmement quelques minutes, en plaçant un mouchoir très fin à un centimètre de son visage (nez et bouche). Le second note ce qu il observe ; et inversement. Les élèves portent successivement leur attention sur les mouvements de la cage thoracique puis du mouchoir. L observation des mouvements de la cage thoracique met en évidence deux phases distinctes dans la respiration : l'inspiration et l'expiration. Lorsqu ils mesurent le périmètre de la cage thoracique avec le mètre de couturier (à des moments et un endroit qu ils définissent eux-mêmes), les élèves relèvent une variation de l ordre de quelques centimètres. L étude du document page 2 montrant les conséquences de la contraction et du relâchement des muscles du thorax et du diaphragme confirme l existence d un agrandissement et d un rétrécissement de la cage thoracique et précise le nom donné aux deux phases respiratoires (inspiration et expiration). La variation de taille de la cage thoracique doit être corrélée avec les mouvements d air. L observation des mouvements du mouchoir met en évidence une entrée et une sortie d air : l'entrée d'air lorsque le mouchoir se rapproche du visage et la sortie d'air lorsque l air éloigne le mouchoir du visage. Chaque binôme est invité à utiliser ces observations pour choisir, dans une liste proposée sur la fiche élève, l hypothèse qui semble la plus pertinente concernant la nature des mouvements d air ayant lieu lors de l inspiration et de l expiration. Une recherche dans le dictionnaire des définitions des verbes «inspirer» et «expirer» (et de tous les termes qui peuvent gêner la compréhension des événements) permet aux élèves de valider ou invalider l hypothèse sélectionnée auparavant. Enfin, chaque binôme rédige une conclusion répondant à la question de départ et faisant apparaître clairement le lien existant entre les mouvements de la cage thoracique et les mouvements d air. ACTIVITÉ 1 Matériel Pour la classe : dictionnaire(s) de la langue française Pour chaque binôme : fiche élève n 1 à coller dans le cahier d expériences 1 mètre de couturier 2 mouchoirs en papier très fins Savoir observer (compétence 3) Recueillir des résultats obtenus par la mesure (compétence 3) Exploiter des résultats (compétence 3) Il fournit une description des mouvements de la cage thoracique et du mouchoir fidèle à la réalité. Il met en évidence deux phases (sans les nommer). Il mesure le périmètre de la cage thoracique en plaçant son mètre au bon endroit et en choisissant deux moments caractéristiques de la respiration (inspiration et expiration). Il exprime les résultats en centimètres. Il met en évidence une variation de quelques centimètres. Il produit un court texte qui résume les événements survenant lors de l inspiration et de l expiration sans faute et sans oubli. L enseignant guide les élèves dans leur progression tout au long de la démarche menée dans l activité 1. Il reprend les points importants avec l ensemble de la classe lorsque la majorité des groupes parvient à la rédaction de la conclusion. Il introduit des mots de vocabulaire précis. Enfin, il établit le lien existant entre la taille de la cage thoracique et le volume d air pouvant être contenu par les poumons. 147

4 Pour clore l'activité, l'enseignant guide la classe vers la rédaction, sur le cahier d'expériences, de la réponse à la question posée : Les mots-clés de cette activité peuvent être notés dans le cahier d expériences : inspiration, expiration, cage thoracique, thorax, poumons, volume, périmètre. Les élèves se penchent alors sur le trajet suivi par l air dans le corps humain. ACTIVITÉ 2 Matériel Pour la classe : banque d images à projeter Pour chaque élève : fiches élève n 2a et n 2b à coller dans le cahier d expériences Quel trajet l air suit-il dans notre corps? Partie a Recueil des représentations initiales Phase 1 travail individuel L enseignant souhaite recueillir les représentations initiales des élèves concernant le trajet suivi par l air. Pour cela, il invite chaque élève à représenter ce qui lui vient à l esprit sur la fiche n 2a où figure déjà la silhouette d un être humain. Les élèves sont libres de rajouter tout élément qu ils jugent nécessaire à la bonne compréhension du dessin réalisé. Ils s appuient sur ce qui vient d être vu dans l activité 1 : l air entre et sort par le nez ou la bouche. Comprendre les consignes de classe (compétence 1) Il représente, sur la silhouette distribuée, le trajet de l air, tel qu il l imagine, partant de la bouche ou du nez. L enseignant sélectionne des dessins différents que chaque auteur vient présenter. La classe compare et analyse la pertinence des modèles proposés. Les élèves sont, pour la plupart, déjà au courant qu il existe des poumons chez les mammifères mais ils ignorent à quoi ressemblent ces structures. Ils ne savent pas par quel canal passe l air ; s il passe par le cœur, s il se dirige dans tout le corps et comment il ressort. L enseignant guide les discussions mais ne fournit aucune analyse à ce stade. Il convient avec la classe que pour obtenir des réponses à ces interrogations, il faut explorer l appareil respiratoire des êtres humains et essayer de comprendre comment celui-ci est organisé. 148

5 Partie b L appareil respiratoire des mammifères Phase 1 travail individuel Munis de la première page de la fiche n 2b, les élèves découvrent des documents concernant l appareil respiratoire du lapin. Sur les photos fournies*, ils peuvent observer : certaines parties de l appareil respiratoire (trachée et poumons) ; une coupe transversale de poumon ; des poumons gonflés d air et des poumons vides ; un morceau de poumon flottant sur l eau. Les données écrites permettent aux élèves d identifier les noms de chacun des segments de l appareil respiratoire et d en déterminer l organisation. Ainsi, par analogie, sur la page 2 de la fiche élève, ils complètent les légendes de l appareil respiratoire humain et tracent le trajet suivi par l air (complément professeur n 1). Le gonflement des poumons, visible sur l image où un élève souffle dans la trachée, permet de valider le fait que l air qui parvient jusqu aux poumons ne traverse pas la paroi pulmonaire et ne peut ressortir qu'en empruntant le chemin inverse. L enseignant dispose d une banque d images où il trouve l ensemble des iconographies des fiches élève en couleurs et d autres images complémentaires. Savoir observer (compétence 3) Exprimer des résultats (compétence 3) Il retrouve les légendes correctes de l appareil respiratoire de l être humain. Il trace correctement le trajet de l air en respectant le code couleur. La classe procède à la correction des légendes et reconstitue le trajet de l air. Les élèves comparent ce dernier au trajet initialement tracé en début d activité (voir «Partie A : recueil des représentations initiales»). Il est important de rappeler que même si le cœur se trouve dans la cage thoracique, celui-ci ne fait pas partie de l appareil respiratoire. La classe aboutit à la trace écrite suivante : Les mots-clés de cette activité peuvent être notés dans le cahier d expériences : larynx, trachée, bronches, alvéoles pulmonaires. Que se passe-t-il dans nos poumons? L enseignant s appuie sur ce qui vient d être vu : l air fait un aller-retour dans les voies respiratoires, mais quel est l intérêt d un tel trajet? Que se passe-t-il dans les poumons? Les élèves font part de leurs hypothèses et l enseignant les regroupe au tableau. Ils font souvent référence à l oxygène, car ils savent que les êtres humains en ont besoin pour vivre, mais ils ne connaissent pas précisément le rôle qu il joue ni la nature des échanges ayant lieu dans l organisme humain. Beaucoup font l amalgame entre l oxygène (un gaz de l air) et l air dans son ensemble. Ils disent alors : «On a besoin d air pour vivre.» D autres enfin évoquent la transformation de l oxygène en gaz carbonique. ACTIVITÉ 3 Matériel Pour chaque groupe : 2 récipients + eau de chaux, 1 seringue en plastique, 1 paille Pour chaque élève : fiche élève n 3 à coller dans le cahier d expériences 149

6 Il convient donc de vérifier avec l ensemble de la classe : si le passage de l air dans les poumons modifie la quantité et la nature des gaz qui s y trouvent (si l air contient bien de l oxygène ; du gaz carbonique) ; ce que deviennent ces gaz ; quel rôle exact jouent les poumons. L activité 3 est ainsi divisée en deux parties : partie A (pages 1 et 2 de l activité) dans laquelle les élèves vérifient si le passage de l air dans les poumons modifie sa composition ; partie B (pages 3 et 4 de l activité) dans laquelle les élèves essaient de comprendre comment et pourquoi l air s appauvrit en oxygène et s enrichit en dioxyde de carbone lors de son trajet dans les voies respiratoires. Partie a Je cherche à vérifier si la composition de l air change quand celui-ci passe dans l appareil respiratoire Phase 1 Travail Par groupes de trois élèves L enseignant distribue les deux premières pages de l activité aux élèves. Ceux-ci disposent alors d un tableau incomplet de composition de l air inspiré et expiré à partir duquel ils mettent en évidence que : le volume d azote ne varie pas ; le volume d eau (sous forme de vapeur) est plus important dans l air expiré ; le volume d oxygène est moins important dans l air expiré. L incertitude persistant quant au volume de dioxyde de carbone, les différents groupes sont invités à comparer l air expiré et l air inspiré. Pour cela, ils disposent de deux voies d investigation : l expérimentation (en réalisant des expériences avec l eau de chaux) (complément professeur n 3) ; le calcul (en utilisant les données chiffrées du tableau). Les élèves sont libres d utiliser la voie qu ils privilégient. Les plus rapides peuvent procéder aux deux méthodes d investigation. Celles-ci permettent de mettre en évidence la présence de dioxyde de carbone dans l air expiré mais pas dans l air inspiré. Exprimer et exploiter des résultats (compétence 3) Expérimenter (compétence 3) Exprimer et exploiter les résultats (compétence 3) Résoudre des problèmes relevant des quatre opérations (compétence 3) Pour chacun des trois gaz (oxygène, azote et vapeur d eau), il construit une phrase juste, utilisant le bon comparatif. Il suit le protocole en respectant les consignes et en se limitant à la tâche qui lui a été attribuée par le groupe. Il colorie, sur sa feuille d activité, l eau de chaux conformément à ce qu il observe. Il tient compte de l indice pour rédiger une conclusion juste. Il arrive à poser le calcul lui permettant de retrouver le volume de dioxyde de carbone contenu dans l air expiré en se servant des données du tableau. Les volumes de chacun des quatre gaz contenus dans l air inspiré et expiré sont passés en revue. En ce qui concerne les volumes de dioxyde de carbone, les élèves confrontent les résultats obtenus par l expérimentation et le calcul et vérifient qu ils mènent bien à la même conclusion. La classe valide l hypothèse selon laquelle le passage de l air dans les voies respiratoires modifie la composition de ce dernier et précise la nature des changements observés. 150

7 Les élèves concentrent alors leur étude sur les modifications concernant l oxygène et le dioxyde de carbone. Partie b Je cherche à comprendre comment et pourquoi l'air change de composition Phase 1 Travail Par groupes de trois élèves Les élèves reçoivent les pages 3 et 4 de l activité sur lesquelles ils découvrent les échanges alvéolaires réalisés entre l air et le sang d une part et ceux réalisés au niveau du muscle d autre part. Concernant les échanges alvéolaires : l enseignant laisse le temps nécessaire aux membres des différents groupes pour découvrir le dessin et les données chiffrées. Il favorise les échanges au sein des groupes et fait émerger les différences de compréhension du document. Il guide les groupes les plus en difficultés et leur suggère de comparer la composition du sang à l entrée des poumons et à sa sortie puis de mettre en regard cette composition avec celle de l air alvéolaire. Concernant les échanges dans le muscle : les élèves suivent la même démarche et comparent la composition du sang entrant et sortant du muscle au repos et en activité. Ainsi, ils comprennent que le sang agit comme une navette qui distribue l oxygène aux organes et les débarrasse du dioxyde de carbone qu ils fabriquent. L enseignant accompagne les élèves les plus en difficultés et les guide dans leur analyse des données. Inférer des informations nouvelles (compétence 1) Il établit un lien correct entre la composition du sang et celle de l air pour expliquer comment l air s enrichit en dioxyde de carbone et s appauvrit en oxygène. Il établit un lien correct entre la composition du sang sortant du muscle au repos et celle du sang sortant à l effort pour expliquer pourquoi la respiration s accélère pendant l effort. Un rapporteur par groupe fait part à la classe de ses conclusions. L enseignant veille à ce que les élèves décrivent précisément les phénomènes observés dans l alvéole d une part et dans le muscle d autre part. Il invite ensuite chaque élève à représenter, à ces deux endroits, par des flèches de couleur (en prenant par convention le rouge pour l oxygène et le bleu pour le dioxyde de carbone), les mouvements des deux gaz. Il revient sur des notions importantes telles que : le rôle du sang dans le transport des gaz ; la corrélation existant entre la fourniture en oxygène et l activité de l être humain ; les risques que représente pour l organisme tout geste ayant pour conséquence un mauvais apport d oxygène et une mauvaise évacuation du dioxyde de carbone. Le schéma bien analysé par les élèves constitue la trace écrite qu'ils gardent dans leur cahier d'expériences. Pour clore la séquence, en s appuyant sur tout ce qui vient d être dit, les élèves guidés, par l enseignant, s accordent sur la rédaction, dans leur cahier, d une réponse complète, à la question posée par la vidéo : «Quand Zack retient sa respiration, quels changements dans son corps rendent le jeu dangereux?» (voir «Réponse attendue»). 151