Fonctionnement de l organisme et besoin en énergie

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1 Partie 2 Fonctionnement de l organisme et besoin en énergie Y Cette partie doit permettre à l élève d appréhender quelques aspects généraux concernant le fonctionnement du corps humain. Il s agit principalement : - d identifier certaines manifestations, à l échelle de l organisme, consécutives de l activité musculaire : modifications des activités cardiaque et respiratoire, évacuation de la chaleur corporelle lors d un effort physique ) - de relier ces manifestations avec le fonctionnement du muscle à l effort : besoins en dioxygène et nutriments accrus, rejets amplifiés de déchets et de chaleur - de rechercher comment l organisme concourt, par différents organes ou appareils, à fournir au muscle dioxygène et nutriments, ou à évacuer déchets et chaleur Y Dans un cadre éducatif, cette étude conduit l élève à appréhender certains dysfonctionnements des fonctions respiratoires, circulatoires, à les relier à des comportements déviants, et comprendre ainsi quelques règles d hygiène corporelle. Ces différentes ouvertures vers une éducation à la santé est aussi une occasion d être davantage à l écoute des autres, de respecter les différences entre individus. Y Quatre chapitres sont donc proposés dans le manuel à ce propos : - le premier conduit à préciser quelques conséquences de l activité musculaire. Il n y est pas question d étudier les modalités de la contraction musculaire mais d en voir les conséquences en terme de besoins. Les muscles apparaissent donc plus comme des organes en fonctionnement (et non des organes du mouvement), intégrés à l organisme : le muscle est un organe irrigué, échangeant avec les vaisseaux sanguins qui y sont associés des molécules (O 2, nutriment = glucose, déchets ) et de la chaleur. Le sang apparaît tel un intermédiaire entre les organes et le milieu extérieur. CHAPITRE 4 : Muscles et activité musculaire - le deuxième revient sur les modalités d entrée du dioxygène dans l organisme, c est-à-dire jusqu aux vaisseaux sanguins qui assureront l approvisionnement des muscles. Les voies d entrée sont étudiées, c est-à-dire l appareil respiratoire. CHAPITRE 5 : Prélever le dioxygène de l air - le troisième s intéresse à l entrée de nutriments : il convient donc de présenter la transformation des aliments en matériaux susceptibles de pénétrer dans l organisme, donc d être absorbés. Digestion et absorption, et donc organisation générale de l appareil digestif sont étudiées. CHAPITRE 6 : Approvisionner les organes en nutriments 47

2 - le quatrième revient sur la vascularisation qui associe les muscles aux surfaces d échanges (surfaces d entrée dans l organisme comme l échangeur pulmonaire et l échangeur intestinal, surfaces de sortie comme le poumon : CO 2, le rein : autres déchets, voire la peau : chaleur). Ce chapitre est donc l occasion d étudier les différents vaisseaux qui canalisent le sang mais aussi d aborder l organisation fonctionnelle de l organe qui assure la mise en mouvement du sang, c est-à-dire le cœur. CHAPITRE 7 : Circulation du sang et échanges avec les organes Cette partie de programme pourra être étudiée pendant la période hivernale, puisque non liée à des contingences climatiques pour être réalisée. Ressources pour le professeur et pour la classe Ouvrages généraux Physiologie humaine, Biologie humaine., Si besoin est, l enseignant trouvera plusieurs ouvrages de référence sur ces thèmes classiques de physiologie animale. Ces ouvrages sont présents chez différents éditeurs scientifiques (publications universitaires) : De Boeck (Physiologie humaine), Nathan (Biologie humaine : physiologie, anatomie, santé). Publications pédagogiques Guide pratique classes de 5 e et 3 e, CRDP de Lorraine Même si ces ouvrages ont été écrits dans le cadre de la mise en œuvre des programmes de 1997 et 1999, de nombreuses suggestions pédagogiques restent d actualité. Liens avec le CM2 Sciences, cycle 3, D. Pommier et G. Simonin, Magnard

3 4 Muscles et activité musculaire Manuel élève : p. 61 à 76 Programme officiel (application rentrée 2006) Durée conseillée : 3 heures soit environ 2 semaines. Notions contenus Compétences Exemples d activités Les muscles comme les autres organes réalisent avec le sang des échanges qui varient selon leur activité. [École primaire : fiche 13, cycles 2 et 3] [Thèmes : Santé, Statistiques] [Mathématiques : tableaux, graphiques, valeurs moyennes, rythme, fréquence] [Physique-Chimie : transformation chimique, 4 e, combustion, 3 e ] Les organes richement irrigués prélèvent en permanence dans le sang des nutriments et du dioxygène. Ils y rejettent des déchets dont le dioxyde de carbone. La consommation de nutriments et de dioxygène, le rejet de dioxyde de carbone par les organes varient selon leur activité. Relier les besoins des organes aux échanges qu ils réalisent avec le sang. Mettre en évidence l absorption de dioxygène et la libération de dioxyde de carbone par un muscle vivant. Déduire l existence et la nature des échanges au niveau d un organe à partir de la comparaison de données chiffrées. I observation de l irrigation sanguine d un organe. I/Ra exploitation de données d imagerie médicale montrant une variation du débit sanguin lors de l activité d un organe. Ra/Re mise en évidence de la consommation de dioxygène (ExAO) par le muscle et du rejet de dioxyde de carbone. Ra comparaison des quantités de dioxygène, de glucose et de dioxyde de carbone dans le sang avant et après son passage dans un muscle au repos et en activité, ou dans un autre organe. C réalisation d un schéma indiquant les échanges entre le sang et l organe. Thème général Ce chapitre a pour objectif général de montrer que les organes, par exemple les muscles, réalisent des échanges avec le sang et que ces échanges varient en fonction de l effort. Les muscles ont besoin de dioxygène et de glucose pour libérer de l énergie convertie en travail (contraction) et, en partie, sous forme de chaleur libérée dans l organisme. Cette activité s accompagne d une production de déchets qui se retrouvent dans le sang. Il correspond aux items : au cours d une activité musculaire, des modifications s observent au niveau de l organisme et les muscles comme les autres organes réalisent avec le sang des échanges qui varient selon leur activité. Chapitre 4 Muscles et activité musculaire 49

4 Objectifs de connaissances Intentions générales Ce chapitre permet de constater que l organisme humain a des besoins en dioxygène identiques à ceux observés chez les animaux et les plantes étudiés dans la première partie, et en nutriments (acquis de l École Élémentaire). Il complète ce constat en montrant que les apports s effectuent par l intermédiaire du sang, et qu ils varient avec l activité des organes. L apport de dioxygène et de nutriments va assurer la libération d énergie nécessaire au travail des organes et entraîner une production de chaleur et la formation de déchets éliminés par le sang : les muscles sont des organes qui prélèvent du dioxygène et qui produisent du dioxyde de carbone ; c est le sang qui assure les échanges ; d autres échanges ont lieu : les organes prennent du glucose et libèrent de l énergie. Des substances carbonées et azotées sont éliminées. Cohérence verticale Au cycle 2, dans le cadre de l étude des manisfestations de la vie, l élève a découvert l intervention des muscles et du squelette dans la réalisation des mouvements. Au cycle 3, il a complété cette découverte par l étude des articulations et le fonctionnement des muscles (contraction = raccourcissement entraînant le déplacement des os les uns par rapport aux autres ). Il a appris que la réalisation des mouvements imposait un bon entretien des muscles et du squelette (hygiène corporelle, éducation à la santé ) et dépendait d un apport régulier et adapté «d aliments digérés». Voir Fiches de connaissances, cycles 2 et 3, n 11 et 12. Documents d applications des programmes, École, diffusion CNDP. Transversalité L usage de tableaux, de graphiques, les notions de rythme et de fréquence peuvent correspondre à une approche transversale avec le professeur de mathématiques. À souligner que les transformations chimiques et la combustion ne seront abordées qu en 4 e et 3 e en physique-chimie. Objectifs méthodologiques Ce chapitre permet de poursuivre la formation au raisonnement scientifique en remettant l accent sur certains points de la démarche expérimentale (notion d hypothèse, critique de protocole, validation d hypothèse) et sur la lecture de résultats présentés sous forme de tableaux. L apprentissage à la construction de schémas fonctionnels favorise, chez l élève, l usage d une communication scientifique synthétique. S informer observer des photographies prises à différentes échelles, notamment microscopiques identifier des structures au sein des organes noter des modifications à partir de mesures ou de tableaux comparatifs repérer des relations existantes entre les organes Réaliser apprendre à utiliser des outils de mesures : sonde à dioxygène ExAO effectuer des mesures Communiquer construire des bilans d expériences utiliser des adverbes de comparaison lire des tableaux à double entrée Raisonner se placer dans une démarche expérimentale mettre en relation les résultats et les observations préliminaires exploiter des tableaux de données effectuer des comparaisons 50 Muscles et activité musculaire Chapitre 4

5 Découpage du chapitre : progression et programmation horaire Une double page «Observer pour s interroger» permet de mieux cerner, à partir de quelques documents volontairement peu légendés pour permettre une saisie d informations et une discussion optimales, la problématique du chapitre : comment mettre en évidence les liens existant entre les besoins de l organisme et le travail musculaire? Viennent ensuite trois doubles pages de documents conçues pour résoudre progressivement le problème en suivant une démarche d investigation. Volontairement, nous avons privilégié l exploitation de documents par rapport à une réalisation pratique correspondant aux expériences de Paul Bert 1 par souci de réalité scientifique. Il semble difficile de présenter ces expériences comme modèles de respiration musculaire. Ces expériences historiques dont l exploitation peut développer l esprit critique des élèves sont toutefois rappelées ci-dessous. Ces trois «Exploitations de documents» sont prévues pour encadrer un chapitre n excédant pas, dans sa durée, trois heures d enseignement. On peut prévoir, par exemple, la programmation horaire résumée dans le tableau ci-dessous. Séquences Activité 1 (1h00) Objectifs Constater des échanges entre un muscle et son milieu de vie Compétences mises en œuvre saisir et mettre en relation des informations Supports proposés photographies des résultats d expériences ExAO Notions construites échanges musclesorganes variables selon activité Activité 2 (0h45) Constater l irrigation importante des organes Constater les modifications de débit sanguin selon les efforts Rechercher une explication quant aux différences de concentration de substances dans le sang à l entrée et à la sortie d un muscle respecter des consignes saisir des informations mettre en relation des informations utiliser un schéma tableau à double entrée photographies prélèvements et rejets dans le sang variation des échanges en fonction de l activité Activité 3 (0h45) Constater la consommation de glucose par le muscle, l émission de chaleur, les déchets rejetés saisir et mettre en relation des informations réaliser un compte rendu écrit réaliser un schéma photographies de préparations microscopiques thermographies tableaux comparatifs relations entre les différentes composantes d un environnement La programmation proposée laisse ainsi 0h30 pour faire un bilan des notions construites au cours des différentes activités. On trouvera dans ce chapitre, dans les pages Sciences Mag, des pistes d activités, de lecture ou de réflexion complémentaires, réalisables en autonomie, en classe ou hors de la classe, par l élève seul ou en groupe. Ces compléments ont été orientés : vers une éducation à la santé et à l appréhension de techniques médicales (Biologie et santé : des chauds et froids mortels ou bienfaiteurs) ; vers une éducation à l orientation au choix par la découverte de métiers (coin des métiers : autour du sport). 1 Les élèves pourront développer leur esprit critique à propos des expériences de P. Bert souvent exploitées en classe sur : - le protocole d expérience ; - l utilisation d un témoin ; - les conditions d expériences ; - les conditions biologiques. En fait, cette expérience est à relier à d autres expériences que Paul Bert réalisa sur l influence des pressions barométriques sur le vivant et ne peut être envisagée comme une expérience sur la respiration qu en modélisation. Elle doit être replacée dans l histoire des sciences et dans le contexte correspondant à l évolution des sciences de l époque. Chapitre 4 Muscles et activité musculaire 51

6 Supports pédagogiques utiles Informatique Logiciel (Jeulin) : fonction de nutrition (activité et besoin des cellules, utilisation des nutriments et conversion de l énergie par les cellules). Liens utiles Transparents magnard (SVT 5 e ) : transparents 8 et 9 Internet : Aide à la mise en œuvre des activités Pages d ouverture du chapitre Page 61 Cycliste lors d une ascension. L activité musculaire est perceptible au niveau des bras (contraction visible). Cette activité semble liée à un besoin respiratoire, à un dégagement de chaleur Cette activité s effectue sous contrôle (noter le brassard abdominal qui renseigne en permanence les suiveurs sur l état cardiovasculaire du coureur lors de l effort.) Les oreillettes permettent au coureur d être informé de son état Observer pour s interroger Pages Document a : Mesure de fréquence cardiaque en EPS. On peut s interroger sur les modifications observées au cours d un exercice physique. Les tableaux comparatifs des fréquences cardiaques permettent de repérer des différences entre élèves qui permettront d émettre des hypothèses. Documents b, c, d : Des modifications de comportements peuvent s observer lors d efforts : renouvellement de l air (inspiration) ; réhydratation ; prise alimentaire (boissons sucrées, fruits ). La relation avec les besoins de l organisme peut s envisager. Au terme de cette double page, les élèves doivent, à partir de la consigne, identifier les manifestations qui accompagnent une activité sportive, donc musculaire, et envisager la possibilité d un lien entre ces manifestations et les besoins des organes (problématique générale du chapitre). Activité 1 - Des échanges respiratoires au niveau des organes Pages Objectifs / Intentions pédagogiques L activité proposée est une exploitation de documents. On s intéresse à un organe qui travaille : le muscle. Il faut donc observer des échanges avec le milieu de vie, les identifier, puis envisager les liens qu il est possible d établir entre les variations constatées et les besoins musculaires. L activité est organisée en deux temps. On précise d abord la façon de procéder et les outils utilisés pour ensuite analyser les résultats obtenus. Objectifs de connaissances : notion d échanges d O 2 et CO 2 et de variations en fonction de l état du muscle (repos, activité). Objectifs méthodologiques : comprendre une démarche expérimentale et travailler plus particulièrement sur l hypothèse et sa validation par l exploitation de résultats, et la compréhension d un dispositif expérimental. Sécurité et réglementation : Cette expérience ne peut être réalisée devant et par des élèves. Elle entre en effet dans le cadre de l expérimentation sur animal. Pour cela, un muscle a été dégagé sur un animal fraîchement tué (grenouille) et placé dans un liquide conservateur (vivisection interdite). 52 Muscles et activité musculaire Chapitre 4

7 La manipulation est effectuée dès extraction de l organe. Le muscle est excité par l intermédiaire des électrodes sur lesquelles il est posé. Sa stimulation permet le passage d un état relâché (repos) à un état contracté (activité). Deux sondes (d O 2 et CO 2 ), reliées à un ordinateur, mesurent la concentration de ces molécules dans le liquide physiologique dans lequel baigne le muscle. Les enregistrements montrent qu au repos, le muscle échange du dioxygène et du dioxyde de carbone avec son environnement immédiat et qu en activité, ces échanges sont amplifiés. Les enregistrements témoins indiquent que, sans muscle, les sondes présentent de légères dérives. Commentaires des documents proposés Document 1 : Une expérience. Ce document peut être considéré comme un guide d apprentissage à la démarche expérimentale avec pour objectif de tester une hypothèse à partir de constats. Les outils utilisés peuvent être décrits précisément pour faciliter la compréhension des expériences proposées. Éventuellement, l élaboration d un protocole sera demandé aux élèves. Document 2 : Des résultats expérimentaux. Les saisies d information sur les écrans pourront être analysées en travail personnel par chaque élève. Une description précise des expériences peut aussi se faire en travail autonome. Bien souligner l importance des témoins. Corrections des pistes de travail 1. On cherche à constater des échanges entre le muscle et le liquide dans lequel il baigne (milieu de vie artificiel ici). 2. Les mesures effectuées servent à prouver que des échanges se produisent, à expliquer la nature de ces échanges et leur variation en fonction de l effort. 3. La comparaison des résultats (enregistrements) et la référence aux témoins (courbes «sans muscles») permettent d affirmer que l hypothèse est validée. 4. Le muscle prélève du dioxygène dans son milieu, y rejette du dioxyde de carbone. Ces échanges augmentent lors d un effort musculaire. MUSCLE AU REPOS MUSCLE EN ACTIVITÉ Prélèvement de dioxygène Rejet de dioxyde de carbone Prélèvement de dioxygène Rejet de dioxyde de carbone Milieu dans lequel se trouve le muscle Milieu dans lequel se trouve le muscle Activité 2 - Le sang et les échanges avec les organes Pages Objectifs / Intentions pédagogiques L activité proposée est une exploitation de documents, mettant en place des notions à partir d observations de photographies et d analyses de tableaux comparatifs. Objectifs de connaissances : notion d irrigation très riche et notion d agent de transport : le sang. Chapitre 4 Muscles et activité musculaire 53

8 Objectifs méthodologiques : saisies d informations à partir de photographies, de textes et de données chiffrées, raisonnement à partir de tableaux comparatifs. Commentaires des documents proposés Document 1 : L irrigation sanguine des organes. Le cliché permet à l élève d apprécier la richesse de l irrigation à l échelle microscopique (les cellules du muscle sont toutes situées à proximité des capillaires), de percevoir quels sont les agents de transport (globules rouges du sang). Un travail sur l échelle du cliché est nécessaire. Document 2 : Des échanges avec le sang. Les artères et les veines ne sont pas encore étudiées en tant que vaisseaux afférents et efférents aussi parle-t-on simplement de sang arrivant ou sortant d un organe. En revanche, les capillaires pourront être mis en place sur un schéma bilan construit progressivement puisqu ils ont été présentés (doc. 1) comme étant les sites des échanges entre le sang et les organes. Document 3 : L apport de sang aux organes. L augmentation du débit sanguin dans de nombreux organes lors d efforts physiques montre aux élèves que l organisme est un tout, que les organes travaillent en synergie et que les apports de sang varient selon les organes. Corrections des pistes de travail 1. Les vaisseaux irrigant les muscles sont les capillaires : c est à leur niveau que les muscles prélèvent O 2 et rejettent CO Le sang entrant est plus riche en dioxygène et contient moins de dioxyde de carbone que le sang sortant des organes. Ces différences sont amplifiées lors d un effort musculaire. 3. Lors de l effort, le débit sanguin est plus important dans les muscles, dans la peau et dans le cœur. Il ne varie pas dans le cerveau. Il est moins important dans les reins et dans les organes du reste du corps. 4. Les échanges se font au niveau des nombreux capillaires irrigant les muscles. Le schéma peut être construit à partir de ceux du document 2 et en y ajoutant des flèches pour indiquer les échanges effectués (voir schéma bilan ou transparent Magnard, SVT 5 e ). MUSCLE AU REPOS MUSCLE EN ACTIVITÉ Prélèvement de dioxygène Rejet de dioxyde de carbone Prélèvement de dioxygène Rejet de dioxyde de carbone Sang Sang Activité 3 - D autres échanges au niveau des organes Pages Objectifs / Intentions pédagogiques L exploitation des documents rassemblés dans cette activité est l occasion de montrer que les organes ont besoin de glucose pour fonctionner et que leur travail entraîne des productions de déchets et de chaleur. 54 Muscles et activité musculaire Chapitre 4

9 Objectifs de connaissances : notion d énergie libérée en partie sous forme de chaleur, nature des déchets produits par les organes. Objectifs méthodologiques : saisies d informations à partir de photographies de préparations microscopiques, raisonnement avec des calculs d échelles basées sur les grossissements, de pourcentages ou de conversions à partir des données chiffrées, ou de comparaisons dans les tableaux. Commentaires des documents proposés Document 1 : Des modifications dans les muscles. Relier la coloration des cellules avec le réactif à la présence ou non de glucides ; c est l occasion de rappeler ce qu est un réactif. Document 2 : Activité du muscle et composition du sang. Les quantités de substances sont indiquées en milligrammes pour 100 millilitres de sang. Des pourcentages peuvent se calculer, des conversions s effectuer à partir des données. Document 3 : Des modifications constatées chez l individu. Le muscle produit de la chaleur qui peut se mesurer par thermographie correspondant à des variations de couleur selon la chaleur émise (rouge, verte, bleue). Pour montrer le lien entre l importance des productions et l intensité du travail effectué, des données comparatives entre l état de repos et l état d activité sont fournies : individu au repos, debout, et individu sur un vélo ergométrique, pédalant. Corrections des pistes de travail 1. La substance consommée par le muscle est le glucose. 2. Le glucose consommé par les muscles est apporté par le sang. 3. Échanges de chaleur (dégagement par le muscle, prise en charge par le sang), et de matière (rejet de déchets pris en charge par le sang). Les échanges sont amplifiés lors de l activité musculaire. 4. Les muscles prennent du glucose dans le sang, y rejettent des déchets organiques, y évacuent la chaleur dégagée lors de la contraction. Ces éléments peuvent être ajoutés au schéma construit précédemment. MUSCLE Glucose Dioxygène Dioxygène de carbone Chaleur Sang Schéma bilan Pages 71 En reprenant les représentations figuratives établies dans différentes activités (besoins d un muscle en repos ou en activité), on construit peu à peu un schéma fonctionnel simple des interactions entre un muscle en activité et le sang circulant dans les capillaires. Sciences Mag Pages Des chauds et froids mortels... ou bienfaiteurs L anecdote de la bataille de Marathon permet de sensibiliser l élève à la relation effort physique, dégagement de chaleur et danger pour l organisme. S il peut supporter des écarts importants de température, l homme ne résiste pas aux variations extrêmes, sans protection Par contre, le froid peut, dans certaines conditions (les cellules ne doivent pas geler) favoriser la conservation des organes. Chapitre 4 Muscles et activité musculaire 55

10 Des métiers autour du sport Les trois exemples retenus montrent que chaque métier est spécifique, qu il correspond à des filières d apprentisage spécifiques, et que les parcours à suivre sont variés. Correction des exercices Les exercices de la rubrique «Pour apprendre sa leçon» sont corrigés en fin de manuel de l élève. 1 Correction dans le manuel de l élève, p Éléments présents : cellules (membrane en bleu foncé, cytoplasme en bleu plus clair, noyau en rouge tacheté) et capillaire contenant des globules rouges traversant ces cellules. 2. Cellules Globule rouge Sang Paroi d un capillaire 3 1. Il y a plus de dioxygène dans le sang entrant dans le muscle que dans le sang sortant. 2. Il y a moins de dioxyde de carbone dans le sang entrant dans le muscle que dans le sang sortant. 3. Il y a plus de glucose dans le sang entrant dans le muscle que dans le sang sortant. 4. Les muscles prélèvent du glucose et du dioxygène dans le sang. Ils rejettent du dioxyde de carbone dans le sang. 4 SANG Glucose Dioxygène Dioxyde de carbone MUSCLE 5 1. Avant l effort physique, le rythme cardiaque est relativement constant, aux alentours de 70 battements par minute. Pendant l exercice, le rythme cardiaque augmente rapidement pour atteindre 120 battements/min au bout d une minute d effort, puis reste constante à cette valeur durant tout l exercice. Après l exercice, la fréquence cardiaque diminue progressivement et revient à la même valeur qu avant l exercice après un peu plus d une minute de repos. 56 Muscles et activité musculaire Chapitre 4

11 2. L'augmentation du rythme cardiaque permet aux muscles d'être mieux approvisionnés en dioxygène et glucose, ce qui favorise leur fonctionnement. Cette accélération du rythme cardiaque permet également une meilleure évacuation des déchets Rythme respiratoire (en nombre de mouvements) Temps (en minutes) 2. Le rythme respiratoire augmente pendant l effort, il passe de 16 mouvements par minute à 38. Après l effort physique, le rythme respiratoire diminue progressivement. L augmentation du rythme respiratoire permet de fournir plus de dioxygène aux muscles qui travaillent. Le rythme diminue ensuite progressivement durant la phase de récupération Au repos, le rythme cardiaque est de 65 battements par minute. 2. Le rythme cardiaque maximum est de 175 battements par minute. 3. Le rythme cardiaque est constant, à 65 battements par minute, avant l exercice. Pendant l effort, le rythme augmente rapidement pendant la première minute d effort puis augmente plus lentement avant de se stabiliser aux environs de 175 battements par minute. Après l effort, le rythme cardiaque diminue jusqu à retrouver sa valeur au repos au bout de 3 minutes. 4. Le rythme cardiaque reste élevé juste après l effort le temps que les muscles continuent à évacuer du dioxyde de carbone et de la chaleur (et à prélever du glucose et du dioxygène). Correction dans le manuel de l élève, p.192. Chapitre 4 Muscles et activité musculaire 57

12 5 Prélever le dioxygène de l air Manuel élève : p. 77 à 94 Programme officiel (application rentrée 2006) Durée conseillée : 4 heures soit environ 2,5 semaines. Notions contenus Compétences Exemples d activités Le dioxygène utilisé en permanence par les organes provient de l air. [Physique-Chimie : composition de l air, description moléculaire] Par des mouvements respiratoires, l air arrive dans les alvéoles pulmonaires où a lieu le passage du dioxygène dans le sang. Le passage du dioxygène est facilité par une grande surface alvéolaire richement vascularisée. Des substances nocives, plus ou moins abondantes dans l environnemnet perturbent le fonctionnement de l appareil respiratoire. Elles favorisent l apparition de certaines maladies. [Thèmes : Santé, Environnement et développement durable] [Physique-Chimie : filtration] [Technologie : matériaux, thème environnement et énergie] Décrire le trajet du dioxygène jusqu au sang. Décrire le trajet de l air sur une image ou un schéma de l appareil respiratoire. Expliquer l arrivée d air dans les alvéoles. Établir un premier schéma fonctionnel d une alvéole pulmonaire. Relier certaines caractéristiques de la paroi alvéolaire au passage du dioxygène dans le sang. Mesurer le volume de dioxygène dans l air inspiré et dans l air expiré (ExAO). Déduire le passage du dioxygène dans le sang par comparaison de données chiffrées. Relier des perturbations du fonctionnement de l appareil respiratoire à la présence de substances nocives. I - comparaison de la composition de l air inspiré à celle de l air expiré. Re mesure du volume de dioxygène dans l air inspiré et dans l air expiré (ExAO). I description des mouvements respiratoires. I observation d un appareil respiratoire sur un animal, sur un écorché. C annotation d un schéma de l appareil respiratoire humain. Ra comparaison de la quantité de dioxygène dans le sang entrant et sortant des poumons. I observation d alvéoles pulmonaires au microscope. C réalisation d un schéma d une alvéole pulmonaire. I comparaison de photos ou de coupes de poumons de fumeur et de non-fumeur. Re mise en évidence des dépôts de goudron sur un filtre. I recherche des effets des substances contenues dans la cigarette sur l appareil respiratoire. [B2i] Ra mise en relation de la fréquence de certaines maladies avec des pollutions de l air. [B2i] Thème général Ce chapitre a pour objectif général de montrer que le dioxygène de l air est utilisé par les organes. Par conséquent, des dysfonctionnements organiques peuvent apparaître si notre milieu de vie est perturbé par des substances nocives. Il correspond aux items : le dioxygène utilisé en permanence par les organes provient de l air ; des substances nocives, plus ou moins abondantes dans l environnement perturbent le fonctionnement de l appareil respiratoire. Elles favorisent l apparition de certaines maladies. Chapitre 5 Prélever le dioxygène de l air 59

13 Objectifs de connaissances Intentions générales Ce chapitre permet de constater que l air qui entre dans l organisme arrive jusqu aux alvéoles, vaste lieu d échanges avec les capillaires sanguins. Si la composition de l air est modifiée, des maladies peuvent survenir suite à un fonctionnement anormal de l appareil respiratoire. L Homme échange avec l air des gaz respiratoires. L air circule dans des conduits respiratoires terminés par des alvéoles. Le dioxygène de l air passe dans les alvéoles, vaste surface d échanges entre l air et le sang. Certaines substances perturbent le fonctionnement respiratoire et provoquent des maladies. Cohérence verticale Les connaissances sur le concept de la respiration ont été mises en place à l aide de la fiche de connaissances 13 (cycles 2 et 3) concernant le thème «Découverte du corps, éducation à la santé». Transversalité La composition de l air et la description de molécules sont étudiées en physique-chimie en classe de 4 e. Seule la filtration est abordée en classe de 5 e. Certaines activités pourront être rattachées au thème de convergence concernant la santé, l environnement et le développement durable ou à celui concernant l énergie. Objectifs méthodologiques Ce chapitre permet de poursuivre l apprentissage de l ensemble des capacités de la discipline. S informer observer des préparations microscopiques identifier des organes sur un écorché, un schéma noter des modifications à partir de tableaux repérer des relations existantes entre des organes Réaliser effectuer des mesures apprendre à utiliser des outils ExAO Communiquer compléter un schéma faire un croquis et le légender rédiger un bilan réaliser un schéma fonctionnel Raisonner s inscrire dans une démarche expérimentale comprendre un modèle analogique et l utiliser exploiter des résultats mettre en relation des données Découpage du chapitre : progression et programmation horaire La double page de Documents pour s interroger permet de mieux cerner, à partir de quelques documents volontairement peu légendés pour permettre une saisie d informations et une discussion optimales, la problématique du chapitre : comment montrer que l air inspiré approvisionne le sang en dioxygène? À ce niveau de la progression, l élève sait en effet que les organes échangent avec le sang O 2 et CO 2 (voir chapitre précédent). Les activités «Exploitation de documents», précédées par une «Réalisation pratique», sont prévues pour encadrer un chapitre n excédant pas, dans sa durée, quatre heures d enseignement. On peut prévoir, par exemple, la programmation horaire résumée dans le tableau ci-dessous. 60 Prélever le dioxygène de l air Chapitre 5

14 Séquences Objectifs Compétences mises en œuvre Supports proposés Notions construites Observer pour s interroger Activité 1 (1h00) Activité 2 (0h 45) Prouver que le dioxygène utilisé par les organes provient de l air inspiré Faire découvrir les organes de l appareil respiratoire humain et le trajet de l air jusqu aux alvéoles Saisir et mettre en relation des informations Saisir des informations à partir de photographies Utiliser un modèle analogique _ Mettre en relation des informations Réaliser un schéma Matériel ExAO Modélisation d une cage thoracique avec poumons Photos de poumons ou poumons de lapin placés sous caméra Schéma d appareil respiratoire à compléter L organisme retient le dioxygène de l atmosphère L air inspiré circule dans les organes respiratoires et l air expiré prend le chemin inverse Activité 3 (0h 45) Montrer la grande surface d échange existant entre le milieu extérieur et le milieu intérieur Saisir des informations à partir de photographies, de préparations microscopiques, de tableaux Réaliser un croquis légendé d alvéole pulmonaire Photographies Préparations microscopiques d alvéoles Tableaux comparatifs Les alvéoles pulmonaires assurent une vaste zone d échange entre l air et le sang Activité 4 (0h45) Constater la relation existante entre la présence de substances dans l air et le dysfonctionnement des organes Communiquer par un schéma fonctionnel Saisir des informations à partir de documents écrits et d images Communiquer par tableaux Documents et photographies Perturbations liées à la présence de substances nocives dans l air La programmation proposée laisse ainsi 0h45 pour faire un bilan des notions construites au cours des différentes activités avec l élaboration d un schéma bilan et l évaluation sommative. On trouvera dans ce chapitre (Sciences Mag) des pistes d activités complémentaires, réalisables en autonomie, en classe ou hors de la classe, par l élève seul ou en groupe. Ces compléments ont été orientés : vers l histoire des sciences. À noter que des textes de Claude Bernard peuvent également servir de support ; vers la construction de maquettes simples. Supports pédagogiques utiles Matériel Chaîne ExAO avec logiciel adapté, écorché, ensemble cœur-poumon, préparations microscopiques de poumon de petit mammifère, maquette de cage thoracique avec poumon Multimédia DVD (Jeulin) : L appareil respiratoire : de l animal à l homme DVD (Jeulin) : L appareil respiratoire : tabac, pollution VHS (Pierron) : la respiration de l homme Informatique et matériel scientifique Chaîne d acquisition ExAO avec enceinte pour mesurer les échanges respiratoires (consommation de dioxygène) Liens utiles Transparents Magnard (SVT 5 e ) : transparents 10, 11, 12 et 13 Internet : Aide à la mise en œuvre des activités Observer pour s interroger Pages Document a : Entrée et sortie d air du corps humain : visualisation avec l utilisation de ballons, d échanges réalisés successivement (acquis du cycle 3). Chapitre 5 Prélever le dioxygène de l air 61

15 Document b : Les modifications de volume du thorax correspondent à l entrée et à la sortie d air au cours des mouvements d inspiration et d expiration (acquis du cycle 3). Document c : Au niveau du thorax, une radiographie indique des masses sombres dissymétriques, à l intérieur de la cage thoracique : les poumons. Document d : Une bifurcation amène l air dans les deux poumons : l air qui pénètre dans l organisme au niveau du nez (ou de la bouche) est dirigé, via la trachée, vers le thorax. À ce niveau, il est distribué vers chaque poumon par l intermédiaire des bronches (tuyaux d air). Document e : MEB de coupe transversale de capillaire sanguin avec globules rouges. L air présent dans les poumons doit échanger avec le sang O 2 et CO 2, pour renouveler la composition de ce liquide qui réalise lui-même des échanges avec les organes. Au terme de cette double page, les élèves doivent, à partir de la consigne indiquée, avoir réactivé leurs acquis du primaire, identifier les organes de circulation de l air, envisager un lien entre l entrée d air et l approvisionnement du sang en dioxygène vu dans le chapitre précédent, ce qui les conduit à la problématique du chapitre. Activité 1 - Les échanges respiratoires chez l homme Pages Objectifs / Intentions pédagogiques L activité proposée (Réalisation pratique) va permettre de prouver que l air inspiré apporte du dioxygène aux poumons. L étape de la démarche expérimentale travaillée est celle de l hypothèse émise avec validation ou non, permettant d avancer dans la résolution du problème. Sur le plan méthodologique, ce travail en autonomie des élèves et en équipes permet une saisie d informations sur écran, une mise en relation des données avec l hypothèse formulée, et la rédaction d une conclusion correspondant à la résolution du problème. Commentaires des documents proposés Document 1 : Une expérience. Le document écrit est un support pour mettre en place certaines étapes de la démarche scientifique. La photographie aide les élèves à utiliser le dispositif ExAO de l établissement, en visualisant les pièces permettant de réaliser les mesures. Document 2 : Résultats et observations. En absence de matériel d ExAO ou pour confronter les mesures effectuées à d autres données, les résultats présentés permettent d atteindre l objectif fixé (document a). Les radiographies pulmonaires indiquent que entrée (ou sortie) d air dans l organisme semble(nt) liée(s) à une variation de volume des poumons : ces organes apparaissent tels des sacs, mieux des culs-de-sacs, susceptibles d être des lieux d échanges entre l air qui y est situé et l organisme proprement dit (document b). Corrections des pistes de travail 1. L hypothèse à valider est que l air inspiré approvisionne l organisme en dioxygène. 2. Voir les écrans et tableau fournis (document 2a). 3. L air inspiré contient plus de dioxygène que l air expiré. L air inspiré contient moins de dioxyde de carbone que l air expiré. 4. C est au niveau des poumons que le dioxygène et le dioxyde de carbone de l air peuvent être échangés (entrée ou rejet) avec l organisme. Activité 2 - L air dans l appareil respiratoire Pages Objectifs / Intentions pédagogiques L activité proposée est notée comme une «exploitation de documents». Elle a pour objectif de faire découvrir les organes respiratoires permettant de faire circuler l air jusqu aux poumons. L élève va s informer à partir de photographies, de radiographies, d un schéma légendé. 62 Prélever le dioxygène de l air Chapitre 5

16 Commentaires des documents proposés Document 1 : Poumons et échanges respiratoires. Ce document permet de constater que la trachée permet à l air d entrer dans les poumons. Il faut bien faire remarquer aux élèves que, pour obtenir ces clichés sur un lapin mort, l air a été soufflé dans les poumons, qui sont des organes passifs. Sur un animal vivant, le gonflement des poumons sera lié aux mouvements de la cage thoracique (utilisation d une maquette analogique de poumons, voir Sciences Mag). Document 2 : Le cheminement de l air dans un poumon. Les clichés (document a) permettent de visualiser l arbre bronchique à l intérieur des poumons et de suivre la circulation de l air jusqu aux alvéoles pulmonaires, dont les parois contiennent des vaisseaux sanguins. Le schéma de l appareil (document b) permet d identifier les organes intervenant pour assurer la circulation de l air et servira de support à la construction d un schéma fonctionnel fléché. Corrections des pistes de travail 1. L air passe dans la trachée, les deux bronches, les bronchioles et les sacs alvéolaires (avec l aide du schéma, on peut ajouter : voies aériennes des fosses nasales, du pharynx et du larynx). 2. Les conduits respiratoires se ramifient dans chaque poumon, par bifurcations successives et en diminuant de taille. 3. L air inspiré aboutit dans les alvéoles. 4. Pour le schéma, éviter les flèches bleues et rouges qui peuvent provoquer des confusions mentales chez l élève avec celles correspondant au sang oxygéné et au sang carbonaté (par exemple : flèche évidée (blanche) pour l entrée d O 2, et noire pour le rejet de CO 2 ). Activité 3 - Des échanges entre les alvéoles et le sang Pages Objectifs / Intentions pédagogiques L exploitation de documents rassemblés dans cette activité est l occasion de découvrir où aboutit le dioxygène de l air inspiré. Elle souligne aussi le fait que les échanges permanents entre l air et le sang vont être facilités par la finesse des alvéoles, leur grande surface et l importance de l irrigation sanguine. Commentaires des documents proposés Document 1 : L organisation des poumons. La photographie de poumons injectés de résines de couleurs différentes permet de visualiser l association des ramifications des voies aériennes avec les voies sanguines. Document 2 : Le passage du dioxygène dans le sang. Une photographie en microscopie à balayage montre les détails accentués par le relief des zones de contact entre la paroi alvéolaire et la paroi des capillaires sanguins. La comparaison des données chiffrées du tableau permet d aboutir au fait que le dioxygène de l air alvéolaire passe dans le sang et que le dioxyde de carbone du sang est échangé avec l air des alvéoles. Corrections des pistes de travail 1. Dans les poumons se trouvent des voies aériennes conduisant l air et des voies sanguines. 2. La quantité de dioxygène qui part vers les organes est plus importante que la quantité qui arrive des organes. 3. Les alvéoles sont des surfaces d échanges très importantes du fait de leur nombre, 700 millions environ, de la faible distance qui sépare globules rouges et air alvéolaire. 4. Pour le schéma, symboliser avec une grosse flèche rouge le passage du dioxygène de l alvéole vers le capillaire et avec une petite flèche (bleue) la sortie de dioxyde de carbone du capillaire vers l alvéole. Chapitre 5 Prélever le dioxygène de l air 63

17 Activité 4 - Protéger notre appareil respiratoire Pages Objectifs / Intentions pédagogiques Il s agit à nouveau d une exploitation de documents, visant l éducation à la santé et l éducation à l environnement pour un développement durable. Commentaires des documents proposés Document 1 : Appareil respiratoire et pollution de l air. Mise en relation de la fréquence de certaines maladies avec la présence de substances dans l atmosphère. Document 2 : Les dangers du tabac. Sensibiliser les élèves au danger du tabagisme (documents a et b) et montrer les effets du tabagisme passif (document c). Corrections des pistes de travail 1. Les symptômes dont la pollution de l air est responsable sont la toux, les maux de gorge, les irritations des yeux. 2. Le facteur qui favorise la pollution à l ozone est l augmentation de la température liée au rayonnement ultraviolet du soleil (recherche à effectuer, sur Internet par exemple). 3. Les composants de la cigarette provoquent des encombrements des bronches, des dépôts de goudrons, des maladies respiratoires comme l asthme, les cancers, des maladies cardiaques. 4. Substances polluantes Effets Dioxydes de soufre et d azote, Pollution par l air particules Asthmes, cancers Pollution à la cigarette Nicotine, goudrons Encombrement des voies respiratoires, asthme, maladies cardiaques, cancers Schéma bilan Pages 89 Une représentation figurative de l appareil pulmonaire, in situ, permet d en rappeler les caractéristiques puis conduit à proposer un schéma fonctionnel des relations existant entre un poumon et un muscle. Sciences Mag Pages Point d histoire : la respiration selon Descartes Parmi les idées que peut retenir l élève : la pluridisciplinarité des érudits au XVII e siècle ; l amélioration des savoirs sur la connaissance de l homme depuis. Biologie en pratique : à chacun sa maquette Ces montages simples permettent de prolonger l exploitation des résultats des activités 1 et 4. Correction des exercices Les exercices de la rubrique «Pour apprendre sa leçon» sont corrigés en fin de manuel de l élève. 1 Correction dans le manuel de l élève, p Prélever le dioxygène de l air Chapitre 5

18 Schémas de deux flacons contenant de l eau de chaux, le 1 er avec une paille et l eau de chaux blanche, le 2 e avec une seringue contenant de l air qui touche l eau de chaux limpide. Les légendes sont pour le 1 er : eau de chaux troublée et air expiré, pour le 2 e : eau de chaux limpide et air atmosphérique (expérience témoin). Le titre est : Recherche du dioxyde de carbone dans l air inspiré et dans l air expiré. Correction dans le manuel de l élève, p La quantité de dioxygène présente dans le sang arrivant aux poumons est moins importante que celle partant des poumons dans l organisme. 2. La quantité de dioxyde de carbone présente dans le sang arrivant aux poumons est plus importante que celle partant des poumons dans l organisme. 3. La diminution de la quantité de dioxygène dans le sang entre les organes et les poumons s explique par le fait que les organes utilisent du dioxygène. 4. L augmentation de la quantité de dioxyde de carbone dans le sang entre les organes et les poumons s explique par le fait que les organes produisent du dioxyde de carbone. 5. Schéma d une alvéole avec 2 flèches : une rouge, qui part de l alvéole vers un capillaire et une bleue qui part du capillaire vers l alvéole. 1. En mm 2 : la surface alvéolaire des deux poumons est de 210 millions (soit 210 m 2 ). 2. La surface d un terrain de tennis de 24 m de long sur 8m de large est de 192 m 2, donc presque identique à notre surface alvéolaire. 3. La surface alvéolaire est une grande surface d échanges (entre l air et le sang). Correction dans le manuel de l élève, p La personne malade a moins de cellules sanguines transportant le dioxygène que la personne saine. 2. Les symptômes qui ont conduit le médecin à prescrire la prise de sang sont la fatigue et la pâleur. 3. Les cellules sanguines transportent le dioxygène aux organes. 1. Trachée Côte Cage thoracique Diaphragme 2. Attention à limiter la cage thoracique à sa base, par le diaphragme. 3. Mouvements respiratoires et entrée d air dans l organisme. 4. Les côtes se sont abaissées, le diaphragme s est relevé : le volume de la cage thoracique a diminué, l air contenu dans le poumon a été expiré. Chapitre 5 Prélever le dioxygène de l air 65

19 6 Approvisionner les organes en nutriments Manuel élève : p. 95 à 112 Programme officiel (application rentrée 2006) Notions contenus Durée conseillée : 5 heures. Les nutriments utilisés en permanence par les organes proviennent de la digestion des aliments. [École primaire : fiche 12, cycles 2 et 3] [Physique-Chimie : transformations chimiques, 4 e et 3 e ] La transformation de la plupart des aliments consommés en nutriments s effectue dans le tube digestif sous l action d enzymes. Ces transformations chimiques complètent l action mécanique. Les nutriments passent dans le sang au niveau de l intestin grêle dont la grande surface richement vascularisée favorise l absorption. Les aliments sont source d énergie. Des apports supérieurs aux besoins de l organisme favorisent certaines maladies. [Thèmes : Santé, Statistiques] [Mathématiques : tableaux, graphiques, valeurs moyennes, pourcentage expression littérale] Compétences Relier la transformation des aliments à leur passage dans le sang au niveau de l intestin. Situer sur soi-même des organes de l appareil digestif. Suivre un protocole pour réaliser une digestion in vitro. Indiquer le trajet des aliments et localiser l arrivée des enzymes dans le tube digestif. Relier les caractéristiques de la paroi de l intestin grêle au passage des nutriments dans le sang. Comparer l apport énergétique des aliments consommés aux besoins énergétiques de l organisme. Exemples d activités Ra étude critique des textes historiques sur la digestion. [Histoire des sciences] Ra/Re réalisation d une digestion in vitro. I observation de l appareil digestif humain sur un écorché et localisation des organes sur soi-même. C annotation d un schéma de l appareil digestif humain en localisant les lieux d arrivée des enzymes. I observation d une coupe de la paroi intestinale à différentes échelles. Ra mise en relation de la vascularisation de l intestin grêle avec le passage des nutriments dans le sang. C schématisation de l absorption intestinale. Ra utiliser un logiciel pour calculer l apport énergétique des repas d une journée et les besoins en énergie d un individu. [B2i] I retrouver sur des emballages alimentaires les apports énergétiques. I/Ra rechercher et analyser des documents permettant de comprendre les conséquences d un excès d apport énergétique. [B2i] I calcul d un indice de masse corporel (IMC) à partir d un exemple fictif. Thème général Ce chapitre regroupe les items 6 et 7 du programme : «Les nutriments utilisés en permanence par les organes proviennent de la digestion des aliments» et «Les aliments sont source d'énergie. Des apports supérieurs aux besoins de l'organisme favorisent certaines maladies». Objectifs de connaissances Intentions Générales L'étude s'appuie sur l'étude de l'homme. Le fonctionnement de l'organisme et de son appareil digestif contribue à approvisionner les organes en matériaux pouvant libérer de l'énergie. Il s'agit donc de faire comprendre ce qu'est l'appareil digestif, avec ses organes et ses fonctions, donc son anatomie et le fonctionnement de la digestion ; l'absorption des nutriments est l'aboutissement du fonctionnement de l'appareil digestif. Ces bases biologiques permettent de réfléchir à des comportements à risque comme le grignotage ou Chapitre 6 Approvisionner les organes en nutriments 67

20 l'absence de petit déjeuner, facteurs d'obésité. Une éducation à la santé est à mettre en place à cette occasion. Le sujet est particulièrement propice à la prise en compte des représentations mentales et des conceptions des élèves. Cohérence verticale À l'école primaire, les élèves ont abordé les fonctions de nutrition en observant leurs manifestations et leurs principes élémentaires, notamment pour justifier quelques comportements souhaitables en matière de santé. Fiches connaissances des Documents d'application des Programmes des cycles 2 et 3 : fiche 12 (cycle 2 : règles de vie et d'hygiène, habitudes quotidiennes d'alimentation, nutrition et régimes alimentaires chez les animaux ; (cycle 3) : corps humain et éducation à la santé, approche de la fonction de nutrition et comportements alimentaires. Au collège, en classe de Sixième, les élèves ont vu que les êtres vivants, et donc l'homme, sont des producteurs de matière (organique) à partir de la matière prélevée dans le milieu. Ils ont abordé également les besoins en aliments de l'homme (matières grasses, sucres rapides et lents, protéines ont donc été présentés). Transversalité Physique et chimie : le programme aborde les notions de transformations chimiques, de mises en solutions, de molécules. Objectifs méthodologiques Ce chapitre peut être l'occasion de réaliser la dissection d'un petit mammifère (souris en liquide conservateur ou congelée), si cette activité est très recentrée sur la partie «anatomie du tube digestif», la dissection étant réduite à l'étalement du tube digestif, à la reconnaissance des organes et à leur éventuel dessin (sur fond préparé). Nous avons pris le parti de ne pas décrire cette activité mais de présenter une dissection de lapin qui permet d'observer facilement les étapes de la transformation des aliments ingérés par l'animal. La digestion expérimentale peut également être réalisée en classe, en prenant le temps de mettre en place toutes les étapes de la démarche expérimentale. L'étude de l'absorption des nutriments est l'occasion d'utiliser le microscope, l'observation des villosités étant aisée. Ce chapitre offre plusieurs possibilités de construction de croquis et de schémas fonctionnels : la transformation des aliments, l'absorption des aliments (voir en annexe du livre élèves, pages 200 et 201). S informer saisir des informations à partir de photographies, résultats expérimentaux (tableau, graphique) Réaliser réaliser une digestion expérimentale Communiquer lire et commenter un graphique construire un tableau réaliser un schéma fonctionnel Raisonner exploiter des résultats expérimentaux Découpage du chapitre : progression et programmation horaire Dans la partie «Fonctionnement de l'organisme et besoin en énergie», ce chapitre nécessite cinq heures de cours afin de réaliser complètement les observations et activités nécessaires à la compréhension d'un fonctionnement et d'une anatomie souvent connus avec des erreurs bien ancrées et nécessaires à la réalisation d'observations et de manipulations. L activité 1 (Exploitation de documents) consiste en une recherche de renseignements, sur des documents de différentes natures : la description d'expériences historiques, des photographies en relation avec la vie courante (dents, repas) et des photographies de la dissection d'un lapin. Ces renseignements seront regroupés dans un tableau pour mettre en évidence la progressivité des transformations, et leur caractè- 68 Approvisionner les organes en nutriments Chapitre 6

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