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

21 re mécanique ou chimique (ou du moins non-mécanique). Les élèves peuvent ici travailler en autonomie (en petits groupes) à partir de ces documents et rendre compte de leurs travaux ; L activité 2 (Réalisation pratique) d'une digestion in vitro ne nécessite pas une démarche expérimentale lourde. L'activité présente la préparation de quatre tubes qui seront testés deux fois chacun. Ce travail peut être réparti entre plusieurs groupes, la partie ayant le plus de sens étant la recherche de l'hypothèse, la mise en route d'une démarche expérimentale, le suivi d'un protocole simplement évaluable. Des résultats expérimentaux sont présentés et pourront être utilisés, bien que la partie pratique ne doive pas être négligée dans une discipline par essence expérimentale. L'exercice 5 «une digestion expérimentale» est un complément utile à cette activité. L activité 3 (Exploitation de documents) permet de recentrer sur l'homme, de transposer les observations de l'activité 1 (schéma de l'appareil digestif de l'homme). La photographie d'un petit-déjeuner permettrait de rappeler les acquis de Sixième concernant les différentes matières nécessaires à l'homme (matières grasses, glucides, protéines et eau) ; la transformation de ces matières, rappelées sous une forme schématique au-dessus du tableau de la page 103, est établie (transformation en nutriments). Un bilan des nutriments présents dans l'intestin grêle est nécessaire. La notion d'enzyme apparaît à ce niveau comme une substance présente dans certaines sécrétions digestives. L activité 4 (Exploitation de documents) permet un retour sur le problème de départ des chapitres «fonctionnement de l'organisme et besoins en énergie» : comment les nutriments d'origine externe vont passer dans le milieu intérieur. L'augmentation du taux de glucose sanguin dans une veine qui quitte la paroi de l'intestin permet de montrer le devenir d'un nutriment, son évolution étant également suivie dans le tube digestif, à l'aide d'un graphique cette fois, qui permet de relier disparition du nutriment dans le tube digestif et localisation de cette disparition. L'observation d'une coupe d'intestin avec ses replis peut être facilement mise en œuvre en classe. Le manuel présente deux images à deux échelles différentes: une coupe d'intestin observé à faible grossissement et le détail des villosités. Ces villosités apparaissant comme le lieu de l'absorption et donc du passage des nutriments dans le sang. C'est ici l'occasion de travailler facilement sur la mise en place d'un schéma fonctionnel, comme présenté dans les fiches méthodologiques. Séquences Mise en route (0h15) Activité 1 (0h45) Activité 2 (0h45) Activité 3 (0h45) Activité 4 (0h45) Science Mag (1h30) Objectifs Mobilisation des acquis des cycles 2 et 3 Décrire le devenir des aliments consommés Déterminer par une approche expérimentale, l action des enzymes sur les aliments ingérés Établissement d un schéma bilan de la digestion Mettre en évidence une relation entre la structure de l intestin grêle et sa fonction (absorption) Comparer l apport énergétique des aliments consommés aux besoins énergétiques de l organisme Compétences mises en œuvre saisir et mettre en relation des informations saisie d informations (texte, photographies) réaliser une démarche expérimentale mettre en œuvre un protocole lire un dessin illustratif mettre en relation des informations lire un graphique exploiter les données d un tableau, de photographies réaliser un schéma fonctionnel saisir des informations dans des tableaux, sur les étiquettes alimentaires utiliser un logiciel pour calculer l apport énergétique des repas (DIET, Jeulin) Supports proposés photographies et croquis d aide à la lecture radiographie région intérieure de la face dissection de l appareil digestif d un lapin et évolution des aliments ingérés guide d étude (protocole) photographies (résultats expérimentaux) organisation de l appareil digestif durée de transit des aliments dans le tube digestif devenir des principaux aliments dans le tube digestif histogramme tableau de mesures observations de coupes d intestins à différentes échelles tableaux de donnés pour sensibiliser les élèves aux besoins et aux dépenses énergétiques travail sur Internet (sites indiqués) Notions construites Les aliments sont transformés en un ensemble liquide dans le tube digestif La transformation des aliments en nutriments dans le tube digestif est rendue possible par la sécrétion d enzymes dans le tube digestif Dans le tube digestif, sous l influence des sécrétions digestives, les aliments sont progressivement transformés en nutriments Les nutriments sont absorbés au niveau de l intestin grêle. Ils passent dans le sang. L énergie contenue dans les aliments permet le fonctionnement des organes et de l organisme. L alimentation doit être équilibrée. Chapitre 6 Approvisionner les organes en nutriments 69

22 Supports pédagogiques utiles Matériel scientifique Un écorché humain peut être utile pour localiser les organes, de façon à prendre au mieux conscience de leur localisation sur soi. S'il est difficile et peu souhaitable de faire en classe une dissection de lapin, la dissection de l'appareil digestif de petits animaux est possible, selon les disponibilités locales. La digestion expérimentale de l'amidon nécessite l'achat d'une enzyme amylase, de bandelettes-tests (en pharmacie). La digestion de l'amidon dans ces conditions mène surtout à la formation de maltose. La durée de la transformation au bain-marie laisse le temps de mettre au propre l'activité de recherche d'hypothèse, ou d'évaluer les élèves sur le thème des organes de la digestion. L'étude de l'absorption est l'occasion de faire des observations à différentes échelles : à l'œil nu pour observer des replis sur des échantillons d'intestin de bovin achetés en boucherie, au microscope à faible grossissement pour les replis et villosités d'un intestin de petit animal (lames du commerce) et à fort grossissement pour observer les villosités intestinales. Sécurité et réglementation La dissection d'un appareil digestif de petit animal ne peut être réalisée que dans le respect de la législation en vigueur et en appliquant les directives les plus récentes. Liens utiles Transparents Magnard SVT 5 e n 14 ; 15 Site : Aide à la mise en œuvre des activités Page d ouverture du chapitre Page 95 Repas de sportifs de haut niveau (Sébastien Loeb et son capitaine) au cours d une épreuve. Noter l abondance des glucides lents (pâtes) dans les assiettes. Observer pour s interroger Pages Document a : repas pris à la demi-pension du collège. Le repas de midi est pris à une heure fixe ; l exploitation de la photographie peut-être accompagnée par l analyse des menus de la semaine affichés à l entrée du self. Le contenu des assiettes (aliments) pourra être mis en relation avec la nature des nutriments utilisés par les organes (chapitre 4). Document b : denture d un adolescent. Les dents sont sollicitées pour la prise de la nourriture. Une discussion sur l hygiène dentaire peut-être envisagée, ainsi que le rôle des différentes dents qu on aura préalablement identifiées dans la prise des aliments (mobilisation des acquis de l École Élémentaire). Document c : l ingestion se fait par l intermédiaire de la cavité buccale. La mastication précède la déglutition et le passage dans l œsophage, qui pourra être distingué de la trachée sur la radiographie. Document d : l intestin grêle est un long tube aux nombreuses circonvolutions et enveloppé dans un péritoine très richement vascularisé. Cette vascularisation peut suggérer (après l étude des chapitres 4 et 5) des échanges entre le sang et l intérieur de l intestin grêle. 70 Approvisionner les organes en nutriments Chapitre 6

23 Activité 1 - La transformation progressive des aliments Pages Objectifs / Intentions pédagogiques Il s agit ici d identifier les différents secteurs de l appareil digestif au niveau desquels les aliments sont progressivement transformés en masse liquide (susceptible d être absorbée). Commentaires des documents proposés Document 1a : Des informations. Radiographie panoramique d une denture avec croquis d interprétation. Chaque type de dent peut être identifié et nommé ; son rôle dans la transformation mécanique des aliments évoqué. Document 1b : Texte (partiel) relatant les expériences de Spallanzani et Réaumur. Les documents originaux peuvent être consultés sur le site Document 2 : Les organes de la digestion. Dissection d un petit mammifère phytophage (le lapin) avec appareil digestif déroulé. Les différents segments du tube digestif peuvent être identifiés et leur contenu (après un repas d herbes) examiné. On insistera sur l aspect des aliments transformés (texture notamment). Dans l estomac, les herbes ne sont plus reconnaissables. Elles apparaissent transformées en une masse solide, pâteuse ; Dans l intestin grêle, le contenu est semblable à une bouillie liquide avec quelques éléments solides, fibreux. Dans le gros intestin, les crottes solides suggèrent une absorption du matériel liquide et une concentration des résidus solides présents dans l intestin grêle. Corrections des pistes de travail 1. (Mobilisation des acquis). Incisives (en violet sur le croquis) au bord plan, susceptibles de trancher des aliments solides. Molaires et prémolaires à la surface bosselée et aplatie, favorisant un écrasement des aliments (broyage). Les dents permettent une transformation «mécanique» des aliments, une fragmentation. 2. Les nutriments (cf. mini-dico) sont les substances résultant de la digestion des aliments, c est-à-dire des matières «liquéfiées» présentes dans l intestin grêle. Cette transformation est le résultat de transformations, notamment physiques, réalisées au niveau buccal, stomacal, et intestinal. D après Réaumur, la transformation aboutissant à la «dissolution» des éléments est réalisée au niveau de l estomac. 3. Spallanzani a pris en compte les résultats des expériences de Réaumur (l estomac est la première «poche» du tube digestif, où se mettent en place les pelotes de régurgitation). 4. Cette transformation est une liquéfaction. 5. dents (cavité buccale) fragmentation estomac intestin grêle gros intestin homogénéisation, mise en place d une pâte liquéfaction déshydratation Activité 2 - Une digestion expérimentale Pages Objectifs / Intentions pédagogiques Il s agit, à ce niveau, de chercher à expliquer comment des aliments solides peuvent être transformés en une pâte plus ou moins liquide au niveau de l intestin grêle. Cette étape est l occasion d une approche expérimentale (digestion in vitro). Commentaire des documents proposés Document 1 : Une expérience. Les différentes étapes sont précises : constat conduisant à formuler une hypothèse. Recherche d une expérience visant à éprouver cette hypothèse : principe général et protocole envisagé. Chapitre 6 Approvisionner les organes en nutriments 71

24 Document 2 : Exemple de résultats La comparaison aux témoins permet de montrer que des pâtes solides (amidon) présentes dans le tube sont fortement ou partiellement transformées en matériel mou ou plus ou moins liquéfié lorsqu on ajoute des sécrétions digestives. Les tests à l eau iodée (lugol) indiquent que l amidon a disparu, peutêtre au profit de sucres solubles, confirmés par l utilisation de bandelettes test de glucose. Correction des pistes de travail 1. Le glucose est une substance («soluble») dans le sang qui approvisionne les organes. 2. Les tubes 2 et 4 sont des témoins. 3. Pâtes avec sécrétions digestives Pâtes sans sécrétions digestives Début d expérience solides solides Fin d expérience plus ou moins liquéfiées non transformées 4. Tubes 1 : la présence d enzyme semble être à l origine de la liquéfaction (partielle) de l amidon des pâtes. Tubes 2 : expérience témoin : les sécrétions digestives sont indispensables à la digestion de l amidon. Tubes 3 : la liquéfaction est plus importante si les pâtes sont fragmentées (hypothèses d une surface de contact plus grande avec les sécrétions digestives) 5. Voir la définition du mini-dico : les enzymes digestives favorisent la transformation des aliments solides ou éléments plus ou moins mous et «solubles». Ces solutions contiennent des enzymes digestives. Activité 3 - Appareil digestif et digestion Pages Objectifs / Intentions pédagogiques L organisation générale de l appareil digestif et l intervention des enzymes des sécrétions digestives étant connues (activités précédentes), il s agit là de mettre en relation ces connaissances pour établir, in situ,les étapes de la digestion. La présentation en «tableaux», se lisant verticalement et horizontalement, facilite les repérages. Commentaires des documents proposés Document 1a : Schéma de l appareil digestif en place. Les flèches blanches (à droite) précisent les lieux de sécrétions des glandes digestives et notamment, la nature des enzymes qu elles contiennent. Document 1b : étapes chronologiques de la digestion avec le temps de passage (en valeur moyenne, sans distinction de l aliment ingéré) dans les différents segments du tube digestif. Document 1c : illustration pour les aliments d un petit-déjeuner des principales transformations subies. La mise en relation avec les sécrétions digestives et le temps de transit peuvent être établies immédiatement. Corrections des pistes de travail 1. Durée moyenne du temps de digestion d un repas : près d une journée. 2. Aliments riches en glucides : dans la bouche et le début de l œsophage (pour la plupart) ; aliments riches en protéines : dans l intestin, après action des sécrétions stomacales (et pancréatiques) ; aliments riches en lipides : dans l intestin, après action des sécrétions hépatiques (bile) et pancréatiques. 3. Il n existe pas d enzymes correspondant à ces substances. 4. Pour conclure : en fin de digestion, il reste dans l intestin des produits non digérés et des nutriments. 72 Approvisionner les organes en nutriments Chapitre 6

25 Activité 4 - Le passage des nutriments dans le sang Pages Objectifs / Intentions pédagogiques Il s agit ici d identifier le lieu «d entrée» dans l organisme des nutriments (et de l eau et sels minéraux) : la paroi intestinale, et d en souligner les caractéristiques fonctionnelles. Commentaires des documents proposés Document 1 : Des mesures Cette expérience (faire absorber à une personne du glucose un nutriment pour voir où il est absorbé montre que l intestin grêle (pour l essentiel) et le gros intestin (faiblement) sont les lieux privilégiés de cette absorption. Le tableau b montre que le glucose est absorbé dans le sang des vaisseaux associés à l intestin. Document 2 : L organisation de l intestin Une coupe transversale d intestin grêle (a) indique l augmentation de surface de contact entre nutriments et paroi que les villosités déterminent. Un détail de villosité (microphotographie b) montre la faible épaisseur (une couche de cellules) séparant les nutriments présents dans la lumière de l intestin et celle des vaisseaux sanguins associés à la paroi de l intestin grêle. Le texte c souligne, par l intermédiaire de quelques chiffres, l importance de cette surface de contact (reprise de l idée de surface d échanges, évoquée au chapitre 5). Corrections des pistes de travail 1. La quantité de glucose ne varie pas dans les premiers segments du tube digestif. La diminution, au niveau des intestins, laisse supposer que le glucose disparaît de l intestin pour passer dans le sang. 2. Ce passage est confirmé par le document b. 3. Le nombre de villosités augmente la surface de contact (une villosité correspond à presque un demidiamètre d intestin grêle et la surface de l intestin, côté lumière, vaut πx D 2 x L) (avec L= longueur de l intestin). 4 On augmente la surface de contact par plus de 10 millions de D 4. Pour conclure Nutriments Vaisseau sanguin Intestin grêle Schéma bilan Page 107 Le schéma bilan mobilise dans un premier temps (croquis figuratif) les structures impliquées dans la prise des aliments et leur transformation en nutriments au cours de la digestion. Le schéma placé à droite, schéma fonctionnel, précise comment ces structures participent à la transformation, jusqu à l absorption dans le sang, réalisée au niveau intestinal. Chapitre 6 Approvisionner les organes en nutriments 73

26 Sciences Mag Pages La première page de «Sciences Mag» se veut une ouverture vers des observations et des expérimentations anciennes et vers les observations d'aujourd'hui et de demain, qui sont liées au développement des techniques. Les images à chercher sur le net sont nombreuses, et peuvent être l'occasion d'une séance de recherche et de tri d'informations. De même les sites faciles d'utilisation qui concernent l'alimentation sont nombreux, et peuvent servir de support à une leçon ou une présentation construite par les élèves. Correction des exercices Les exercices «Pour apprendre sa leçon» sont corrigés en fin de manuel, p Correction dans le manuel de l élève, p.193 Correction dans le manuel de l élève p Une personne sans estomac doit manger souvent parce qu'elle ne peut pas stocker une quantité importante d'aliments. Elle doit manger des aliments qui sont mixés pour remplacer en partie l'action de l'estomac. 2. Une personne sans intestin grêle doit être nourrie avec des nutriments car elle est incapable de réaliser une digestion normale, qui a lieu en grande partie dans l'intestin grêle. 3. Une personne incapable de s'alimenter seule est perfusée avec du glucose pour lui apporter des nutriments directement dans le sang, sans digestion ni absorption. 1. Légendes En rouge : a : bouche - c :œsophage - d : estomac - f : intestin grêle - g : gros intestin - h : anus En vert : b : glandes salivaires - e : pancréas - i : foie 1. L'hypothèse à tester est : «l'amidon est digéré par les sécrétions du pancréas». 2. Protocole : cf annexe 2 jointe Explications : de l'amidon dilué dans de l'eau est mis dans deux tubes A et B: le tube A sera le tube témoin, dans le tube B on ajoute des sécrétions pancréatiques. Les tubes sont placés à température du corps. 3. Quelques temps plus tard, on réalise des tests de présence d'amidon et de glucose. Les deux résultats possibles sont : «l'amidon n'est pas digéré» et «l'amidon est digéré par les sécrétions pancréatiques». 4. Si le pancréas libère des enzymes qui digèrent l'amidon, la conclusion est «l'amidon est digéré par les sécrétions pancréatiques». 1. Notre alimentation doit être variée pour apporter tous les nutriments différents dont notre corps a besoin et qui se trouvent dans des aliments divers. Par exemple, les sucreries contiennent beaucoup de glucides mais peu de protéines. 2. Courbe : la quantité de nutriments disponibles continue à baisser pour atteindre un niveau très faible avant le déjeuner. 3. Si la quantité de nutriments disponibles est trop faible pour nos muscles, ceux-ci ne fonctionneront pas au mieux: on est incapable de faire des efforts et on se sent fatigué. Le cerveau ne fonctionne pas au maximum de ses capacités et on a envie de somnoler au lieu de réfléchir. 4. Un apport d'énergie important entraîne une mise en réserve (sous forme de graisse) des nutriments : l'organisme grossit. 74 Approvisionner les organes en nutriments Chapitre 6

27 7 Circulation du sang et échanges avec les organes Manuel élève : p. 113 à 133 Programme officiel (application rentrée 2006) Durée conseillée : 5 heures. Les items : l élimination des déchets par l'organisme, la circulation du sang (souvent très obscure pour les élèves) et la mise en place et l'exploitation d'observations sur dissections nécessitent du temps. La partie «santé» est également à ne pas négliger. Notions contenus Les déchets, dont le dioxyde de carbone, sont éliminés. Le dioxyde de carbone est éliminé dans l air expiré au niveau des poumons. Les autres déchets sont excrétés au niveau des reins qui fabriquent l urine. La circulation sanguine assure la continuité des échanges au niveau des organes. Le sang circule à sens unique dans des vaisseaux (artères, veines, capillaires) qui forment un système clos. Le sang est mis en mouvement par le cœur, muscle creux, cloisonné, fonctionnant de façon rythmique. Le bon fonctionnement du système cardio-vasculaire est favorisé par l activité physique ; une alimentation trop riche, la consommation de tabac, l excès de stress sont à l origine de maladies cardio-vasculaires. [Mathématiques : tableaux, graphiques, valeurs moyennes, fréquence] [Éducation civique : droit et responsabilité face à la santé] [Français : compte rendu écrit, oral] [Thèmes : Santé, Statistiques] Compétences Décrire le trajet des déchets depuis le sang jusqu à l extérieur de l organisme. Compléter le schéma fonctionnel de l alvéole. Expliquer le rôle de la circulation sanguine dans le fonctionnement de l organisme. Annoter un document présentant l appareil circulatoire en indiquant le trajet du sang. Réaliser une coupe transversale de cœur. Dessiner une coupe transversale de cœur. Relier un type d accident cardio-vasculaire à des facteurs de risques. Localiser et expliquer simplement un type d accident. Exemples d activités Ra comparaison des teneurs en dioxyde de carbone de l air inspiré et de l air expiré. I observation d un appareil urinaire humain sur un écorché ou sur des radiographies. I observation de la vascularisation du rein. C schématisation de l excrétion au niveau de l alvéole pulmonaire et du rein. I mise en évidence du sens de circulation du sang dans une artère et dans une veine. I repérage des deux types de vaisseaux au niveau du cœur. Re réalisation d une coupe transversale de cœur au niveau des ventricules. I observation de contractions cardiaques à l aide d un vidéogramme. Ra annotation d un schéma de l appareil circulatoire et indication du sens de la circulation dans les vaisseaux. I étude critique de représentations historiques de la circulation sanguine. [Histoire des sciences] I recherche d informations, par exemple au CDI, sur les maladies cardio-vasculaires et les facteurs de risques. [B2i] I comparaison d une artériographie normale et d une artériographie de malade atteint d arthérosclérose. Thème général Ce chapitre regroupe les items 8, 9 et 10 du programme: «Les déchets dont le dioxyde de carbone, sont éliminés», «La circulation sanguine assure la continuité des échanges au niveau des organes», «Le bon fonctionnement du système cardio-vasculaire...». Chapitre 7 Circulation du sang et échanges avec les organes 75

28 Objectifs de connaissances Intentions générales Après avoir envisagé l'alimentation des organes en matériaux à partir du sang, l'approvisionnement de l'organisme en dioxygène et en nutriments qui rejoignent le sang, il reste à relier l'ensemble avec un système circulatoire qui va distribuer les substances dans l'organisme. Les déchets produits par le fonctionnement des organes utiliseront ce même circuit pour être éliminés, au niveau des poumons et des reins. En plus des bases biologiques, il s'agit de faire comprendre les risques pour la santé de comportements comme la sédentarité et le tabagisme. Cohérence verticale La circulation sanguine a été abordée en Primaire, les élèves ont appris à «développer des arguments mettant en évidence le rôle de la circulation sanguine dans l'alimentation des organes à partir des poumons et du tube digestif». Objectifs méthodologiques Les sujets abordés sont l'occasion d'étudier des images médicales, reins, circulation du sang dans des organes, artériographies. C'est l'occasion de travailler sur la dissection du cœur, avec son protocole et les exigences du professeur quant à la réalisation d'un croquis. Ce chapitre présente plusieurs occasions de réalisation de schémas fonctionnels : échanges au niveau des poumons, des reins, et ce chapitre demande également de travailler sur un schéma général de la circulation dans l'organisme, tous les organes déjà étudiés (poumons, appareil digestif, muscles) pouvant être reliés. S informer saisir des informations à partir de radiographies, de tableaux, de schémas, d enregistrements Réaliser une dissection (cœur) Communiquer faire un croquis formuler une conclusion rédigée Raisonner mettre en relation des informations Découpage du chapitre : progression et programmation horaire L activité 1 (Exploitation de documents) montre que le fonctionnement des organes aboutit à la production de déchets ; ces déchets doivent être éliminés. Un test à l'eau de chaux réalisé par les élèves montre facilement le rejet de dioxyde de carbone; et les deux tableaux présentés permettent de déduire l'origine sanguine du dioxyde de carbone expiré. Les observations peuvent être résumées sous la forme d'un premier croquis figuratif. L'étude de l'élimination de l'urée au niveau des reins permet de tracer un deuxième croquis. Les élèves écriront un texte court pour résumer leurs recherches ; L activité 2 (Exploitation de documents) a pour but de relier les différents organes étudiés, muscles, intestin, poumons, reins, par un système clos de vaisseaux. L'observation des vaisseaux sanguins sur un bras et sur eux-mêmes permet de raccrocher au réel. Les images de radiographie et les coupes transversales de vaisseaux sanguins permettent de mettre en place la notion de circuit clos dans des vaisseaux aux propriétés différentes, et la notion de capillaires sanguins. L activité 3 (Exploitation de documents) souligne la place et le rôle du cœur comme moteur de la circulation. Les élèves ont en général comme pré-acquis le fait que le cœur est actif et qu'il a un rôle dans cette circulation. Les premiers documents permettent de vérifier le trajet du sang à partir du cœur et son retour vers le cœur. L'activité cardiaque, mise en évidence et mesurée, peut apparaître comme une succession de contractions-relâchements qui correspondent bien au fonctionnement d une pompe. L activité 4 est une Réalisation pratique : le cœur est maintenant observé en détail La dissection d'un cœur de volaille (le cœur de dinde est suffisamment volumineux pour permettre des observations) met en évidence la présence de plusieurs cavités, notamment la présence de deux ventricules aux parois épaisses et musculaires. Le passage à l'observation d'un cœur de mammifère va faire le lien avec le cœur humain. Les différences observées avec le cœur de volaille disséqué ne sont pas un 76 Circulation du sang et échanges avec les organes Chapitre 7

29 obstacle à la compréhension du mécanisme de pompage. Un croquis de la coupe longitudinale du cœur est nécessaire afin de préciser la présence et les liens entre les cavités du cœur. Séquences Mise en route (0h15) Activité 1 (0h45) Activité 2 (0h30) Activité 3 (0h45) Activité 4 (0h45) Science Mag (2h00) Objectifs Identifier les composants de l appareil circulatoire. Rechercher le moteur de la circulation sanguine. Identifier le trajet des déchets au sein de l organisme Souligner l importance de la voie sanguine. Repérer le rôle des vaisseaux dans la circulation du sang. Identifier les caractéristiques structurales des différents vaisseaux sanguins. Identifier le rôle du cœur dans la circulation sanguine. Comprendre l organisation interne du cœur. Identifier un accident cardiovasculaire. Relier un type d accident cardio-vasculaire. Compétences mises en œuvre saisir des informations saisir des informations mettre en relation des informations pour discuter une hypothèse, proposer une conclusion saisir et mettre en relation des informations proposer une conclusion saisir des informations exploiter un graphique exploiter un schéma fonctionnel réaliser une dissection réaliser un croquis saisir des informations recherche d informations (Internet) Supports proposés photographies enregistrements affiche d une campagne de santé tableaux de mesure radiographie photographies micro-photographies schéma général de l appareil circulatoire radiographies enregistrements de l activité cardiaque schéma fonctionnel de cœur guide de dissection photographes et croquis légendés photographies textes exploitation de sites sur Internet Notions construites Les poumons et les reins évacuent hors de l organisme les déchets résultant de l activité des organes. Le système circulatoire est composé de vaisseaux sanguins organisés en un système clos et un cœur auquel ils sont reliés. Le sang s écoule à sens unique dans le cœur. Le cœur met en mouvement le sang dans l appareil circulatoire. Le cœur est un muscle creux, qui reçoit le sang des veines et propulse ce dernier dans les artères. L activité physique favorise le fonctionnement de l appareil cardiovasculaire. Les maladies cardiovasculaires ont souvent pour origine des excès alimentaires, une grande sédentarité, une consommation importante de tabac et d alcool. Supports pédagogiques utiles Informatique Le matériel ExAO est utilisé pour mettre en évidence et mesurer l'activité cardiaque. Matériel scientifique L'écorché permet de replacer le cœur dans le thorax et de donner une idée de sa taille chez l'homme. La dissection du cœur de volaille est une occasion simple de réaliser une manipulation facilement évaluable. Sécurité et réglementation La dissection du cœur doit évidemment se faire dans le respect de la réglementation et dans des conditions d'hygiène irréprochables. C'est l'occasion de demander aux élèves d'utiliser des moyens de protection (gants) et de laisser le matériel propre et rangé. Liens utiles Le logiciel «cœur» de P. Perez, disponible sur de nombreux sites académiques, peut être utilisé soit de façon autonome par les élèves soit en démonstration en classe (en projection). Il permet de suivre les mouvements cardiaques, et de visualiser la circulation sanguine. Site : Chapitre 7 Circulation du sang et échanges avec les organes 77

30 Aide à la mise en œuvre des activités Page d ouverture du chapitre Page 113 Photographie obtenue par transformation informatique d une coupe longitudinale de cœur (parois représentées par des intensités différentes de bleu, cavités par des intensités différentes de rose) Observer pour s interroger Pages Document a : Rappel de l importance de la vascularisation des tissus. Les capillaires et le sang qu ils contiennent sont au cœur des tissus, et peuvent y échanger nutriments, dioxygène, déchets, température Document b : Les vaisseaux sanguins qui irriguent le cœur doivent conserver leur intégrité pour que cet organe continue à fonctionner. L apport de sang au cœur (et l export), donc la circulation sanguine est vitale pour cet organe! Document c : Le cœur présente une activité rythmique. Le rythme de battements est d environ 1 seconde, soit près de 60 battements par minute. Ces battements peuvent être des témoins de la mise en circulation du sang par le cœur (acquis des élèves : l arrêt des battements d un cœur est signe de la mort de l individu). Document d : Une hygiène de vie, souligné par un refus de sédentarité, est indispensable. Peut-on corréler cet impératif avec le fonctionnement de l appareil circulatoire? Activité 1 - Évacuer les déchets produits par l organisme Pages Objectifs / Intentions pédagogiques L appareil circulatoire prend en charge les déchets issus de l activité des organes et les transporte vers des surfaces d échanges entre l organisme et le milieu extérieur c est-à-dire vers les poumons et les reins. Commentaires des documents proposés Document 1 : Élimination au niveau des poumons. Résultats des mesures d échanges gazeux entre l organisme et le milieu extérieur. Seul est pris en compte le cas du dioxyde de carbone. Les comparaisons des concentrations entre l air expiré et l air inspiré, et le sang sortant et entrant des poumons montrent que les poumons rejettent ce dioxyde de carbone et qu il est évacué hors de l organisme. Document 2 : Une élimination au niveau des reins. La radiographie précise comment le rein peut évacuer l urine qu il produit par l intermédiaire des voies urinaires. Les tableaux du document 2b montrent que l urée et l acide urique sont des substances que l urine prend en charge au niveau du rein et qui sont évacuées hors de l organisme. Corrections des pistes de travail 1. Le dioxyde de carbone contenu dans le sang est libéré dans l air des alvéoles, puis évacué dans l air du milieu extérieur. L hypothèse est validée. 2. Les substances rejetées par l urine étaient présentes dans le sang parvenant aux reins. Elles proviennent de l activité des organes. 3. L organisme évacue des déchets issus de l activité de ces organes (dioxyde de carbone, urée ) par l intermédiaire des reins et des poumons. 78 Circulation du sang et échanges avec les organes Chapitre 7

31 Activité 2 - L appareil circulatoire Pages Objectifs / Intentions pédagogiques L appareil circulatoire apporte nutriments et dioxygène aux organes, et exporte les déchets résultant de leur activité, vers les organes excréteurs (reins et poumons). Il s agit donc de mieux connaître l organisation générale de cet appareil circulatoire. Commentaires des documents proposés Document 1 : Des observations Le gonflement des vaisseaux sanguins entre la main vers le cœur (a) indique que le sang circule vers le cœur : le point de compression bloque ce retour, d où le gonflement. L injection de la substance opaque (b) montre que le sang circule également du cœur vers la main. Document 2 : Plusieurs types de vaisseaux Schéma général de l appareil circulatoire soulignant les relations entre les vaisseaux sanguins et le cœur. Souligner le caractère clos (circuit fermé) de cette circulation. Le texte associé au schéma souligne la densité des vaisseaux sanguins dans l organisme. Les trois coupes transversales (b,c,d) soulignent les similitudes (sang contenu dans une paroi) et les différences (diamètre, épaisseur des parois) entre les trois grands types de vaisseaux sanguins. Corrections des pistes de travail 1. Caractères communs : sections de diamètres voisins, d assez grande taille. Caractères différents : épaisseur de la paroi. 2. Les capillaires sont des vaisseaux de petit diamètre et paroi très fine, laissant une très faible distance entre sang et tissus (facilité des échanges). 3. Les capillaires sont des zones d échanges entre sang et tissus, les veines et les artères distribuent le sang dans l organisme. L ensemble des vaisseaux sanguins forment du cœur, jusqu au cœur, un circuit refermé sur lui-même. Activité 3 - Le rôle du cœur Pages Objectifs / Intentions pédagogiques Les vaisseaux sanguins assurent la distribution du sang et les échanges entre le sang et les tissus, reste à préciser le rôle du cœur, autre composante de l appareil circulatoire auquel sont associés les vaisseaux. Commentaires des documents proposés Document 1 : Le cœur et la circulation du sang Le sang injecté dans une veine revient au cœur, puis en ressort en direction des artères. Le cœur est un passage obligé entre veines et artères. Document 2 : L activité du cœur Chaque battement cardiaque traduit une contraction de cet organe, suivie immédiatement de son relâchement. Document 3 : Les mouvements cardiaques La contraction du cœur permet l éjection du sang vers les artères ; son relâchement, le remplissage de ses cavités (oreillettes-ventricules). L expulsion du sang vers les artères est dû à la contraction des ventricules. Le cœur apparaît comme un muscle creux dont la paroi se contracte puis relâche alternativement. Correction des pistes de travail 1. Trajet du sang : veine > cœur > artère. Le sang passe par le cœur ; Hypothèse : le cœur joue le rôle d une pompe au sein de l appareil circulatoire. 2. Le cœur se contracte toutes les 0,8 s : il a une activité rythmique. Chapitre 7 Circulation du sang et échanges avec les organes 79

32 3. Lorsque le cœur se contracte, le volume de sang présent dans le ventricule diminue et celui dans l aorte augmente. La contraction vide le ventricule et remplit l aorte de sang (aorte=artère). 4. Le cœur, en propulsant le sang dans les artères, apparaît comme un moteur de l écoulement du sang dans les vaisseaux sanguins. Activité 4 - L anatomie du cœur Pages Objectifs / Intentions pédagogiques Le cœur apparaissant comme un moteur de la circulation, il reste à en montrer l organisation de muscle creux, acceptant un liquide, le mettant sous pression par sa contraction, et l évacuant vers les artères. Commentaires des documents proposés Document 1 : La dissection d un cœur Guide de dissection (cœur de dinde ou de poulet) Document 2 : Des exemples de résultats La coupe transversale montre le caractère de muscle creux, aux parois épaisses ; l observation du cœur d un mammifère (mouton) permet le retour à l homme, dont le cœur a une forme semblable. Correction des pistes de travail 1. Croquis. Vaisseaux sanguins Oreillettes Ventricules 2. Sens de circulation du sang (cœur de mammifère) : le sang entre dans le cœur par les veines (caves, pulmonaires), en direction des organes. 3. Le cœur est un muscle creux dont la contraction permet la mise en mouvement du sang au sein de l appareil circulatoire. Schéma bilan Page 125 Ce schéma est bâti sur le même principe que le chapitre précédent : à gauche, présentation des structures impliquées dans la circulation, à droite schéma fonctionnel de la double circulation chez un mammifère. 80 Circulation du sang et échanges avec les organes Chapitre 7

33 Sciences Mag Pages La première page «Biologie en pratique» permet d'approfondir les connaissances sur le cœur par quelques chiffres et anecdotes qui «parlent» aux jeunes élèves. Le «point d'histoire» montre que les connaissances ont une histoire, qu'elles n'ont pas été toujours exactes. Les deux pages «Biologie et santé» font le point sur des connaissances minimum concernant la bonne santé de l'appareil circulatoire ; elles peuvent être une première source de renseignements pour démarrer des recherches. Correction des exercices Les exercices de la rubrique «Pour apprendre sa leçon» sont corrigés en fin du manuel de l élève Correction dans le manuel de l élève, page Nom des vaisseaux n 1 = veine cave inférieure n 2 = veine cave supérieure n 3 = artère pulmonaire n 4 = veine pulmonaire n 5 = artère aorte n 6 = veine pulmonaire 2. La veine cave inférieure (n 1) apporte le sang des organes inférieurs vers le cœur ; la veine cave supérieure (n 2) apporte le sang des organes supérieurs (bras, tête) vers le cœur ; l'artère pulmonaire (n 3) conduit le sang du cœur vers les poumons; les veines pulmonaires (n 4 et n 6) ramènent le sang vers le cœur depuis les poumons ; l'artère aorte (n 5) conduit le sang du cœur vers les organes. 3. Le cœur expulse le sang dans une artère en direction des poumons ; dans les poumons le sang circule dans des capillaires et rejoint des veines qui le rapportent vers le cœur. Le cœur expulse le sang dans une artère en direction des muscles ; dans les muscles le sang circule dans des capillaires et rejoint des veines qui le rapportent vers le cœur. 1. Les organes qui utilisent du dioxygène sont les muscles. Les organes qui prélèvent le dioxygène dans le milieu sont les poumons. Les muscles fabriquent du dioxyde de carbone. Les poumons éliminent le dioxyde de carbone. 2. Le coeur fait circuler le sang qui sert à transporter les différentes substances comme le dioxygène et le dioxyde de carbone. 3. et 4. Sur le dessin : veines pulmonaires et artères en rouge, veines et artères pulmonaires en bleu. Titre possible : «Circulation du dioxygène et du dioxyde de carbone dans le sang.» Chapitre 7 Circulation du sang et échanges avec les organes 81

34 4 Croquis PARTIE DROITE Organisation générale du cœur (observation face ventrale) Oreillette droite Oreillette gauche Vaisseaux sanguins du myocarde Ventricule droit PARTIE GAUCHE Ventricule gauche Coupe tranversale d un cœur Paroi du ventricule droit (fine) Paroi du ventricule gauche (épaisse) Cavité du ventricule gauche Cavité du ventricule droit 5. Les cavités contiennent le sang, les cloisons sont des muscles qui se contractent pour expulser le sang La cloison qui sépare les deux cavités du cœur (les ventricules) est percée; les cavités se rejoignent. 2. Le sang n'est pas bien expulsé dans l'artère aorte, il retourne dans le ventricule droit. Le sang riche en dioxygène du ventricule gauche se mélange avec le sang pauvre en dioxygène du ventricule droit. 3. En cas d'effort, le coeur n'expulse pas assez de sang par l'artère aorte en direction des muscles, les muscles ne reçoivent pas assez de dioxygène et se fatiguent. 1. L'artère a son diamètre rétréci. 2. La conséquence est que le sang circule anormalement (le débit est trop faible) dans le rein. 3. Les conséquences sont qu'une quantité anormalement faible de sang est filtrée par le rein, donc le sang se charge en substances nocives. 1. Les causes de la stagnation de l'espérance de vie, en relation avec les accidents cardio-vasculaires, sont l'alcoolisme et le tabagisme (qui entraînent un durcissement et un rétrécissement des vaisseaux sanguins), la surcharge alimentaire (qui est à l'origine du dépôt de graisse dans les artères), la sédentarité et le stress (qui sont à l'origine de la fatigue du coeur). 2. Un organisme de santé publique devrait faire de l'information pour inciter les gens à ne plus boire ou fumer, à manger de façon raisonnable, à faire du sport et vivre sans stress. 82 Circulation du sang et échanges avec les organes Chapitre 7