LA MAIN A LA PATE La respiration et l air Cycle 3 La respiration et l air. La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 1
LA MAIN A LA PATE La respiration et l air Cycle 3 La respiration et l air. PROGRESSION GENERALE Séance n 1 : Questionnement initial sur la respiration. Première phase : quelques caractéristiques de la respiration Séance n 2 : Mesure et comparaison des rythmes de respiration dans différentes situations. Séance n 3 Mesure et comparaison des volumes inspirés et des volumes expirés pour différentes personnes. Deuxième phase : air inspiré et air expiré Séance n 4 : Mise en place d une expérience qui montre que l air expiré est plus humide et plus chaud que l air inspiré. Séance n 5 : Mise en place d une expérience qui montre que l air expiré contient plus de dioxyde de carbone. Séance n 6 : Mise en place d une expérience qui montre que l air expiré contient moins de dioxygène. Troisième phase : le fonctionnement de la respiration Séance n 7 : A partir des connaissances, des observations des élèves et de documents mis à leur disposition, organisation d une séance de recherche pour comprendre le fonctionnement de la respiration chez l homme. Séance n 8 : Mise en place d une expérience pour comprendre le fonctionnement du diaphragme. On pourra se référer pour ce thème aux fiches connaissances suivantes qui se trouvent sur le site Internet du M.E.N et dont l adresse est http://www.eduscol.education.fr/d0027/exsren02.htm : - Air - Fonctions communes des êtres vivants - Nutrition animale et humaine: respiration et circulation La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 2
La respiration et l air. LISTE DE MATERIEL Pour une classe de 30 élèves (7 groupes) : 7 chronomètres 7 bassines (environ 10L) (de la classe) 7 thermomètres 14 bouts de tuyau souples transparents ( = 6 mm, l = 40 cm) 40 ballons de baudruche (dont 10 grands) 7 bocaux en verre avec couvercles (à apporter de la maison) 14 grands bocaux en verre (à apporter de la maison) 14 petites bougies 40 pailles 1 chou rouge (pour récupérer le jus) (à apporter par l enseignant) 14 bouteilles en plastique de grande contenance (5L) (à apporter de la maison) 7 bouteilles en plastique (1,5L) (à apporter de la maison) 7 verres-mesureurs (à apporter de la maison) Pâte à modeler ou colle (de pistolet) 7 silhouettes du corps humain (fournies par l enseignant) Des images d organes du corps humain (fournies par l enseignant) De la documentation sur la respiration (fournies par l enseignant) Des schémas du fonctionnement des poumons à compléter (fournies par l enseignant) 7 tapis de souris (à apporter de la maison) des allumettes La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 3
LA RESPIRATION ET L AIR (Cycle 3) Place dans le programme : Le corps humain et l éducation à la santé. L éducation à la santé est liée à la découverte du fonctionnement du corps en privilégiant les conditions de maintien du corps en bonne santé : - première approche des fonction de nutrition (digestion, respiration et circulation). 1. QUESTIONNEMENT INITIAL (séance1) Objectifs: Recueillir les conceptions et connaissances initiales des élèves. Vocabulaire : Air, cœur, inspiration, organes vitaux, poumons, respiration, souffle. L enseignant remarque, par exemple après une séance de sport ou une course dans la cour de récréation, que certains élèves sont essoufflés, d autres non. Il cherche alors à savoir ce que les élèves pensent à propos de leur respiration (ou ventilation, la respiration étant une fonction caractérisée par des échanges gazeux). Savent-ils ce que représente ce mot? On peut également introduire les termes : inspiration, expiration, souffle, etc. Que devient l air qu ils inspirent? À quoi leur sert la respiration? Peut-on arrêter de respirer? Est-ce que tous les êtres vivants (animaux, végétaux, humains) respirent? Si oui, respirent-ils de la même façon? L enseignant trie les remarques des élèves entre ce qu ils pensent savoir, et les questions qu ils se posent. 2. QUELQUES CARACTERISTIQUES DE LA RESPIRATION 2.1 Les rythmes de respiration (séance 2) Recueillir des observations simples sur soi et établir des mesures dans le temps. Différencier rythme respiratoire et rythme cardiaque. Vocabulaire : Rythme cardiaque, rythme respiratoire. La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 4
Matériel : 1 chronomètre On peut commencer par une discussion autour de l air, et en particulier de l air que l on respire. Le problème qui se pose alors et que l on aimerait résoudre est : est-ce que l on respire tous de la même façon (c est-à-dire «respirer plus ou moins vite»)? L enseignant définit les mots expiration et inspiration (action de rejeter ou d aspirer de l air). Il recueille ensuite les idées des élèves et leur propose de les tester. On peut par exemple compter le nombre d inspirations ou d expirations effectuées pendant 1 minute (chronométrées par un élève). Puis les élèves sont répartis en groupes et ils mesurent leurs rythmes de respiration (ou cycle respiratoire) dans différentes situations : au repos, après un effort (par exemple 10 flexions), debout, allongé. On pourra utiliser le tableau suivant : Prénom de l élève Nombre d inspiration par minute au repos assis Nombre d inspiration par minute au repos debout Nombre d inspiration par minute au repos allongé Nombre d inspiration par minute debout après 10 flexions Elève 1 20 24 18 29 Elève 2 21 22 19 33 Elève 3 24 23 20 32 Selon les demandes des élèves et selon le nombre d élèves concernés, on peut tenter d établir des moyennes : le nombre moyen de d expiration par minute des garçons, des filles. En faisant participer les parents à la maison, on peut également comparer les rythmes de respiration des enfants et des adultes (en moyenne, les adultes respirent à un rythme de 14 cycles respiratoires par minute au repos, les nouveau-nés à 40 cycles par minute). On terminera la séance en comparant les rythmes de respiration mesurés à ceux des battements du cœur. 2.2 Volume inspiré et volume expiré (séance 3) Mettre en place une expérience simple pour effectuer des mesures de volumes d air. Mesurer les volumes d air expiré et inspiré. La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 5
Matériel : 2 bouteilles d eau 1 verre mesureur 1 bac plastique 2 tuyaux souples en plastique Lors de la première séance est peut-être apparue la question suivante : le volume d air que l on inspire est-il le même que le volume d air que l on expire? Cette séance a donc pour but d y répondre en s appuyant sur les réponses des élèves. Cette question fait donc l objet d une discussion en début de séance. L enseignant pourra lancer le défi suivant : comment mesurer la quantité d air expiré et inspiré? Les propositions tournent en général autour de l idée de mesurer et comparer les volumes d air expiré et inspiré. Quelles expériences peut-on mettre en place? L enseignant peut suggérer les expériences suivantes (il faudra penser à choisir une bouteille et un bac avec une grande contenance) : Fixation étanche Bouteille pleine d eau au départ Air expiré : on souffle Bouteille pleine d air au départ Air inspiré : on aspire Eau Mesure de l air expiré Mesure de l air inspiré Pour quantifier le volume, on pourra utiliser un verre mesureur dans lequel on transvasera l eau restant dans la bouteille. Comme pour les rythmes de respiration, on pourra éventuellement comparer les résultats pour les garçons et les filles, ou pour les enfants et les parents. Les mesures de volumes d air sont approximatives. Il ne s agit pas ici de faire une mesure très précise mais plutôt de constater des différences entre individus ou entre les quantités d air expiré et inspiré. Il est intéressant de demander aux élèves avant l expérience quelle quantité d air ils peuvent rejeter ou aspirer : on est souvent loin des résultats expérimentaux obtenus. La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 6
3. CARACTERISATION DE L AIR INSPIRE ET DE L AIR EXPIRE 3.1 Leur température et leur humidité (séance 3) Montrer par une expérience simple que l air expiré est plus chaud et plus humide que l air inspiré. Comprendre que l air expiré est constitué différemment de l air inspiré. Vocabulaire : Température, humidité, comdensation Matériel : 1 thermomètre 1 vitre de la classe (fenêtre) L enseignant demande d abord aux élèves si c est le même air qui sort et qui rentre lorsque l on respire : «y a-t-il une différence entre l air expiré et l air inspiré». Les élèves peuvent sentir les mouvements d air en mettant la main devant la bouche. Si oui, comment mettre en place des expériences pour trouver les différences entre l air inspiré et l air expiré? L enseignant recueille les idées des élèves et propose qu ils les testent par une expérience simple. Ils pourront par exemple comparer l humidité et la température dans les deux cas. Pour la température : on peut proposer aux élèves de souffler sur un thermomètre et d observer que l air expiré est plus chaud que l air ambiant, qui est celui que l on inspire. On pourra se poser les questions : qu est-ce qui fait que l air expiré est plus chaud que l air inspiré. D où vient cet échange de chaleur? Plaque de verre sur laquelle on souffle (par exemple les fenêtres de la classe) Pour l humidité : on peut proposer aux élèves de «souffler» (d expirer) sur une vitre en verre. Il se forme de la buée, donc l air expiré est plus humide que l air inspiré. Ils pourront se rappeler de la brume que l on observe en hiver lorsque l on expire (phénomène de condensation). 3.2 L air expiré contient plus de dioxyde de carbone que l air inspiré (séance 5) Introduire les différents gaz contenus dans l air. Comprendre que l air expiré n est pas exactement le même que l air inspiré. Découvrir que le gaz carbonique (ou dioxyde de carbone) intervient dans la respiration. La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 7
Vocabulaire : Gaz, dioxygène, diazote, dioxyde de carbone. Matériel : 1 bocal avec couvercle étanche 2 pailles Du jus de chou rouge (il suffit de faire chauffer quelques feuilles dans de l eau du robinet) Les élèves s interrogent sur ce qu il y a «dans l air». Est-il composé de plusieurs gaz? Quels sont ces gaz? L enseignant pourra introduire les noms de certains gaz contenus dans l air : l oxygène (ou dioxygène) et le dioxyde de carbone. Les élèves connaissent-ils ces gaz? L enseignant demande alors : à votre avis, est-ce que l on trouve les mêmes gaz dans l air que l on inspire et dans l air que l on respire? Quelles expériences peut-on réaliser pour le savoir? L enseignant peut suggérer d utiliser un indicateur de présence de gaz carbonique : il s agit du jus de choux rouge. En fait cet indicateur a la propriété, en solution, de changer de couleur selon la teneur en acide du milieu. Lorsque l on souffle dans une solution de jus de choux rouge, le dioxyde de carbone contenu dans l air expiré se dissout pour former un composé acide qui en fait provoque le changement de coloration de la solution (cette notion d acidité n est pas à expliquer aux élèves). Le passage d un air chargé en dioxyde de carbone fait virer la solution du bleuviolet au rouge-rose. La présence de dioxyde de carbone en quantité suffisante est donc de cette manière indirectement détectée dans le jus de choux rouge. Après avoir demander aux élèves d imaginer un dispositif permettant à l air expiré ou inspiré de traverser le jus de chou rouge (sous forme de dessins par exemple), les élèves réalisent l expérience suivante : Air inspiré : on aspire Air expiré : on souffle Couvercle étanche percé paille bocal Jus de choux rouge Pas de changement de coloration Changement de coloration : le jus de chou rouge vire au rouge-rose L enseignant doit veiller à ce que les élèves n aspirent pas le jus de chou. Dans cette expérience le changement de couleur du jus de chou rouge permet de dire que l air expiré contient plus de gaz carbonique que l air inspiré mais ne suffit pas à caractériser la présence exclusive de gaz carbonique. Pour plus de rigueur, il faudrait utiliser de l eau de chaux. La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 8
3.3 L air expiré contient moins de dioxygène que l air inspiré (séance 6) Introduire les différents gaz contenus dans l air. Comprendre que l air expiré est constitué différemment de l air inspiré. Découvrir quels gaz interviennent dans la respiration. Vocabulaire : Combustion, composition de l air. Matériel : 1 chronomètre 2 petites bougies 1 tapis de souris (support étanche) 2 grands bocaux en verre des allumettes L enseignant rappelle le résultat de la séance précédente : l air expiré contient plus de dioxyde de carbone que l air inspiré. Lors de la séance précédente, les élèves ont évoqué l oxygène, un gaz qui intervient dans la respiration. L enseignant demande alors comment savoir s il y a autant d oxygène dans l air expiré que dans l air inspiré? Comme précédemment, il peut suggérer aux élèves d utiliser un dispositif permettant de dire «s il y a plus ou moins de dioxygène». Par exemple, pour que une bougie brûle, il lui faut du dioxygène. L enseignant propose ensuite aux élèves d imaginer une expérience (avec une bougie) qui donne une information sur la quantité de dioxygène contenu dans l air expiré et dans l air inspiré. Puis les élèves pourront réaliser l expérience suivante : Air ambiant ou inspiré Bocal en verre retourné Air expiré Tapis de souris La bougie brûle plus longtemps dans l air ambiant : il y a plus de dioxygène. On peut alors énoncer le bilan des 2 séances : lors de la respiration, on consomme du dioxygène et on fabrique du dioxyde de carbone. On peut simplifier l expérience en retournant simplement les deux bocaux en même temps sur deux bougies identiques. Il est nécessaire de réaliser l expérience plusieurs fois car le temps de la mesure est très court (quelques secondes). Pour récupérer l air expiré dans un bocal, on peut utiliser la technique de remplissage suivant dans un récipient contenant de l eau Bocal retourné et rempli d eau dans lequel on souffle Air expiré La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 9
Il ne s agit pas ici de faire un parallèle entre la combustion et la respiration qui sont deux phénomènes physico-chimiques différents mais d utiliser la combustion d une bougie pour montrer que l air expiré ou inspiré contient plus ou moins de dioxygène, gaz qui intervient aussi dans la respiration. 4. LA DESCRIPTION DE LA RESPIRATION 4.1 Détermination du trajet de l air et des organes mis en cause dans la respiration (séance 7) Recueillir des observations simples sur soi, découvrir les organes qui interviennent dans la respiration et déterminer le trajet de l air. Mener une recherche documentaire sur un thème précis. Proposer des schémas explicatifs du fonctionnement de la respiration. Vocabulaire : Cœur, cage thoracique, organes, poumons, sang. Matériel : 1 silhouette du corps humain (dessin) Des images d organes du corps humain De la documentation sur la respiration Des schémas du fonctionnement des poumons à compléter 1 er temps : l enseignant annonce que l on va chercher à savoir «ce qui se passe dans notre corps lorsque l on respire». Il pose alors la question aux élèves : quelles observations peut-on faire pour essayer de comprendre le fonctionnement de la respiration? Après une phase de réflexion dans chaque groupe pendant laquelle les élèves peuvent observer leur cage thoracique qui se gonfle ou se dégonfle, l enseignant peut présenter une silhouette du corps humain (sur laquelle les organes ne seront pas représentés). Il demande alors : savez-vous ce que nous avons dans notre corps? Les élèves peuvent citer les os, tous types d organes : le cœur, les poumons, l estomac et faire des dessins. L enseignant peut alors produire des images de ces organes à l échelle. Si les élèves pensent qu ils sont utilisés lors de la respiration ; ils seront placées sur la silhouette à l endroit choisit par les élèves. Ce choix leur permettra ensuite de déterminer le trajet de l air et de dessiner sur la silhouette. La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 10
2 nd temps : les élèves sont répartis en groupes et doivent effectuer une recherche pour tenter d apporter des réponses aux questions qui ont été soulevées à la séance précédente. Ils doivent pour cela utiliser les documents qui seront mis à leur disposition : encyclopédies pour élèves, articles de presse abordables et sélectionnés par l enseignant, livres explicatifs, éventuellement des sites Internet pour les élèves Après lecture des documents et dans chaque groupe les élèves réalisent un schéma simple expliquant le principe de fonctionnement des poumons. Lors de la mise en commun, l enseignant pourra, après avoir recensé les points importants citées par les élèves, proposer un schéma simple d explication du fonctionnement des poumons à compléter ou à légender en commun. Quelques exemples de documents pour la recherche : Sites internet : http://www.cs-i.com/pediatrie/gpublic/anatomie_som.htm (site réalisé par des pédiatres expliquant l anatomie). Sur la respiration en particulier, les pages : http://www.wanadoo.fr/bin/frame2.cgi?u=http%3a//www.apreslecole.fr/index_centre.html (La ZIGOTHEQUE : rassemble des sites pour élèves). http://mtn-cremli.ac-nice.fr/~ordimad/arbre/presenta/index.htm (La liste des thèmes abordés sur le site de l école de Séranon, entre autres la respiration). Livres : Sciences expérimentales et technologie : CE2, cycle 3 (Editions Bordas) Sciences et technologie : cycle 3 Tournesol (Editions Hatier) 4.2 Compréhension du rôle du diaphragme (séance 8) Comprendre l importance du rôle des muscles (et en particulier du diaphragme) pendant l inspiration et l expiration. Suivre un protocole. Vocabulaire : Diaphragme, poumons. Air inspiré : entrée d air Air expiré : sortie d air Matériel : 1 bouteille en plastique 2 ballons de baudruche (1 petit et 1 grand) 1 paille pâte à modeler ou colle (de pistolet) Suite à la recherche documentaire de la séance précédente, les élèves ont pu mettre en évidence l importance du diaphragme dans le mécanisme de la respiration. Comment pensent-ils que le La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 11
diaphragme puisse intervenir dans la respiration? Parallèlement, savent-ils comment se gonflent les poumons? S ils pensent que ceux-ci se gonflent avec l air, on peut leur faire remarquer que s ils restent la bouche ouverte sans rien faire, l air ne rentre pas tout seul dans les poumons. Ils peuvent également sentir dans leurs corps que des éléments «bougent» quand ils respirent. L enseignant propose alors de réaliser un montage qui permet de visualiser l action du diaphragme. L enseignant fournit un protocole pour réaliser le montage. Paille Pâte à modeler qui sert de joint étanche Ballon attaché sur la paille Bouteille dont on a coupé le fond Ballon coupé et fixé sur la bouteille ficelle La respiration cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 12