Séquence Sciences et course longue Trois entrées possibles au C3
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Séquence Sciences et course longue Trois entrées possibles au C3 dans le thème « Le fonctionnement du corps humain et la santé » : Les mouvements corporels (les muscles, les os du squelette, les articulations). Première approche des fonctions de nutrition : digestion, respiration et circulation sanguine. Hygiène et santé : actions bénéfiques ou nocives de nos comportements, notamment dans le domaine du sport. Une entrée possible au C2 dans le thème « Ils apprennent quelques règles d'hygiène et de sécurité personnelles et collectives » Il serait intéressant que les élèves aient en préalable étudié la digestion. Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère Exemple de séquence Respiration et circulation sanguine Lien avec les IO et le socle commun : Première approche des fonctions de nutrition : digestion, respiration et circulation sanguine. → L'élève sait mesurer les rythmes cardiaque et respiratoire et les met en lien avec l’activité physique. Définir les objectifs de connaissance: La respiration Lors de l'inspiration, l'air entre par la bouche ou par le nez, descend dans la trachée-artère puis dans les bronches et arrive dans les alvéoles pulmonaires. Lors de l'expiration, l'air ressort en empruntant le trajet inverse. Lors de l'inspiration, le diaphragme s'abaisse, les côtes se relèvent et le volume de la cage thoracique augmente. Alors l'air entre dans les poumons. Lors de l'expiration, le diaphragme remonte, les côtes s'abaissent et l'air sort des poumons. L'air est un mélange de plusieurs gaz, essentiellement de l'azote et de l'oxygène. L'air expiré est plus riche en gaz carbonique et moins riche en oxygène que l'air inspiré : le corps retient de l'oxygène et produit du gaz carbonique. C'est au niveau des alvéoles pulmonaires que l'oxygène de l'air passe dans le sang et que le gaz carbonique du sang passe dans l'air. La circulation Le sang transporte l'oxygène et les nutriments jusqu'aux organes, par exemple le muscle. Le sang évacue les déchets (comme le gaz carbonique) produit par ces organes. Le sang est canalisé dans tout le corps : il circule dans des vaisseaux sanguins qui constituent un circuit fermé. Le sang va du cœur aux organes en circulant dans les artères; il revient au cœur via les veines. Les capillaires sanguins sont le lieu des échanges entre le sang et les organes. Le cœur, grâce à ses contractions, met le sang en mouvement. Lors d'un effort physique, le cœur bat plus vite et envoie plus de sang par minute vers les muscles qui sont en activité. D 'après : « le corps humain » cycle 3 – Delagrave; « Sciences, 64 enquêtes pour comprendre le monde » - Magnard; Site « La main à la pâte ». Site « http://www.instit.free.fr/pe2/sciences/fiche/cycle3_circulation_sanguine_Julie.pdf » Site « http://www.perigord.tm.fr/~ecolescienc/pages/activite/corps_humain/Respiration_circulation_C3_pdf/Respiration_circulation_C3.pdf Site « http://alecole.ac-poitiers.fr/lamapnat/sommieres/coeur/Coeur.html#annexe » Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère Sommaire: I. La respiration 1/ Après un effort 2/ Recueil des représentations 3/ L'air expiré 4/ Dissection des poumons 5/ Comprendre le trajet de l'air dans l'appareil respiratoire 6/ Repérer les éléments caractéristiques de l'inspiration et de l'expiration 7/ Sensibiliser aux mécanismes responsables de l'entrée de l'air dans les poumons 8/ Comprendre les échanges gazeux II. La circulation sanguine : 1/ Les représentations des élèves 2/ Dissection d'un cœur de porc 3/ La circulation sanguine III. Hygiène et santé Sites intéressants pour avoir des documents complémentaires Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère I. La respiration 1/ Après un effort les élèves remarquent que : le rythme cardiaque augmente le nombre de ventilations augmente « Êtes-vous sûrs que ça augmente? Que peut-on faire pour en être sûr? » → mesures au repos et après l'effort reportées dans un graphique ou un tableau tableau à double entrée. Les élèves recherchent les meilleurs moyens de mesurer ces rythmes : -mesure du rythme cardiaque : au niveau de la carotide ou du poignet avec l'index et le majeur, ou un élève écoute directement le cœur avec sa tête sur la poitrine d'un camarade. On compte pendant une minute ou pendant 15' et on multiplie par 4. -mesure du rythme respiratoire : observation directe avec les yeux où on compte le nombre de fois que la cage thoracique se soulève, un élève pose la main sur le thorax d'un camarade et compte les mouvements d'inspiration et d'expiration, on place quelque chose sur le thorax qui permet de mieux visualiser les mouvements (petit drapeau par exemple). → On voit que le rythme cardiaque et le nombre de ventilation augmente à l'effort puis reviennent progressivement au niveau du repos. => Pour quelle(s) raison(s) y a-t-il une augmentation à l'effort? Plusieurs questions peuvent apparaître: Est-ce que l'air expiré et l'air inspiré est le même? Quelle est la quantité d'air expirée? Quel est le trajet de l'air dans le corps? A quoi ça sert de respirer? Que se passe-t-il dans les poumons? Comment fait-on pour respirer?... Pour la suite de la séquence, les questions seront traitées dans cet ordre mais il est possible de les traiter dans un ordre différent. 2/ Recueil des représentations des élèves concernant la respiration Il faut formuler une consigne sous une forme qui n'induise pas la réponse, par exemple : « Pour toi, qu'est-ce que respirer? Explique à l'aide d'un dessin légendé et d'un texte. » → Evaluation des connaissances en amont (cette évaluation sera reprise sous exactement la même forme en évaluation finale) Connaissances et savoirs-faire à évaluer (voir fiche d'entrée de séquence): Connaitre le vocabulaire (ne pas indiquer les mots au préalable mais le faire pour l'évaluation finale dans le cadre de la différentiation : pour les élèves qui n'auraient pas réussi sans le corpus de mots au tableau (changer de couleur de stylo pour ceux qui le font avec l'aide)) Schéma à compléter Texte à trou mots et définitions à relier définition → écrire le mot Décrire le fonctionnement de l'appareil respiratoire Choisir parmi plusieurs schémas celui qui correspond à la réalité Schéma à expliquer Raconter le trajet de l'air et expliquer ce qui permet à l'air de rentrer et sortir Savoir mesurer les rythmes respiratoires Observation des comportements des élèves en sport Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère Savoir expliquer le lien respiration / activité physique Raconter pourquoi le rythme respiratoire augmente lors de l'effort Retrouver parmi les relevés de fréquences respiratoires quelles sont celles d'un sujet après effort 3/ L'air expiré : « Quelles différences pouvez-vous constater ou imaginer entre l'air expiré et l'air inspiré? Imaginez des expériences simples qui permettent de connaître quelques propriétés de l'air expiré » Annexe 1 : exemple de feuille d'expérience. L'air expiré est plus chaud que l'air inspiré (expérience : souffler sur le réservoir d'un thermomètre et constater que la température augmente) L'air expiré contient de la vapeur d'eau (expérience : souffler sur une surface froide et constater l'apparition de vapeur d'eau) L'air expiré contient plus de CO2 que l'air inspiré (expérience : souffler dans de l'eau de chaux et constater que celle-ci se trouble) → expérience certainement à amener par l'enseignant. Comparer l'état de l'eau de chaux (à acheter en pharmacie ou en diluant 10g/l d'eau puis à filtrer avec un filtre à café) quand on souffle dedans avec une paille et quand on vide des seringues remplies d'air (attention à l'air de la classe saturé en CO2 en fin de journée!) → l'eau se trouble en présence de CO2 (reformation de calcaire) Mesure de la quantité d'air expirée : recherche d'un protocole de mesure. « Comment mesurer le plus précisément possible sa capacité respiratoire, c’est à dire la quantité d’air rejetée lors d’une expiration forcée ? » Annexe 2 : exemple de feuille d'expérience Plusieurs façons de procéder : -on montre le matériel nécessaire (bonbonnes 5 litres, bouteilles en plastique de 1,5 litres, bouteilles en plastique de 0,33l, tuyaux souples, éprouvettes graduées ou verre doseur, bassines ou bacs ou aquarium, entonnoirs + alcool à 90°) -on montre un matériel élargit pour laisser une certaine part à l'imagination (idem + élastiques, sachets plastiques, ficelle, seringue, ballons de baudruche, mètre de couturière, balance ménagère...) -on ne montre aucun matériel et on laisse les élèves chercher (très difficile en primaire) Expérience possible : Voir document main à la pâte : http://lamap.inrp.fr/bdd_image/ventil%20site%20cycle%203%20seq%201%202.pdf → séquence 2, séances 1, 2, 3. (doc B mesure cap resp) voir aussi : http://rustrel.free.fr/spirometre.htm (doc C spiromètre) → la recherche se fait sur la capacité respiratoire (inspiration et expiration forcée) puis mesure de l'inspiration au repos et l'inspiration après un effort. → Calcul des différents volumes (en 1', en 1' après un effort, en 1h, en 1h dans la classe...). Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère 4/ Dissection des poumons de mouton ou veau ou porc ou lapin (facultatif) Voir document main à la pâte : http://lamap.inrp.fr/bdd_image/ventil%20resp%20site%20seq%203.pdf → séance 2 : Recherche d’informations par observation de l’appareil respiratoire d’un animal (doc D dissection poumon) 5/ Comprendre le trajet de l'air dans l'appareil respiratoire Analyse de document : extraire d'un texte les éléments permettant de légender un schéma et flécher un trajet. Travail à partir de l'annexe 3 6/ Repérer les éléments caractéristiques de l'inspiration et de l'expiration Analyse de documents : annexe 4 Par groupe les élèves analysent l'annexe 4 : Les 3 parties de l'annexe sont découpées et collées sur une feuille A3. Les élèves doivent observer chacune des parties et leur donner un titre. Par l'observation fine des documents et de leur corps, ils doivent tenter d'expliquer ce qui se passe à l'inspiration et à l'expiration par un petit texte en dessous des parties découpées. Lors de la mise en commun, les élèves doivent dégager ce qui caractérise l'inspiration et l'expiration à l'extérieur et à l'intérieur du corps ce qui fera l'objet d'une trace écrite collective. 7/ Sensibiliser aux mécanismes responsables de l'entrée de l'air dans les poumons Modélisation de l'appareil pulmonaire avec le diaphragme, le poumon et la trachée. Question : « Qu'est-ce qui fait entrer l'air dans vos poumons? » → recueil des hypothèses des élèves, discussion. Le maître leur montre ensuite la maquette qui est une tentative de modélisation du mécanisme de respiration, et la fait fonctionner. Les élèves doivent faire le lien avec la respiration et proposer une correspondance entre les différents éléments de la maquette et la réalité. → Dessiner le schéma de la maquette et établir les correspondances entre les éléments de la maquette et les éléments du corps humain. Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère Les élèves copient ensuite le texte et répondent à la question : Qu’est-ce qui fait entrer l’air dans les poumons ? À chaque inspiration, le diaphragme et les muscles qui sont fixés sur les côtes se contractent. Les côtes s’écartent, se soulèvent, le diaphragme s’abaisse. Ces mouvements entraînent une augmentation de volume de la cage thoracique. La plèvre, enveloppe fine et élastique, adhère à la fois à la cage thoracique et aux poumons. Aussi, lorsque la cage thoracique augmente de volume, les poumons extensibles suivent passivement et l’air pénètre à l’intérieur de l’appareil respiratoire. Question : Quels sont les éléments du corps qui jouent un rôle essentiel dans l'entrée d'air dans les poumons? 8/ Comprendre les échanges gazeux Analyse de documents : annexe 5. Pour chaque document, les élèves indiquent individuellement ce qu'ils ont compris du document puis tentent en groupe de faire une synthèse des connaissances. La mise en commun permettra de structurer la notion d'échanges gazeux. → Conclure sur la fonction de la respiration. Les élèves élaborent ensuite une trace écrite en sachant que tous les documents peuvent être utilisés. Nouvelle question : Où va l'oxygène et à quoi sert-il? Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère II. La circulation sanguine : 1/ Les représentations des élèves On rappelle ce qu'on a vu jusque là et quelle était la question posée (où va l'oxygène récupéré dans l'alvéole et à quoi sert-il?). Sur une silhouette (annexe 6) , les élèves dessinent leur représentation de la circulation sanguine. La discussion qui suit devrait faire ressortir l'importance du cœur dans le système de circulation sanguine et notamment son rôle de pompe. Les différentes problématiques pouvant apparaître (d'après le site de l'école de Sommières) 1) la localisation du sang dans le corps -certains ont mis le sang uniquement sur les bords de notre corps. -certains ont mis le sang dans tout notre corps sauf au niveau du ventre. -les autres ont mis le sang dans tout le corps. 2) L'apparition d'autres organes ou appareils (excepté le cœur) : -certains ont fait apparaître le tube digestif. -certains ont fait apparaître le cerveau. -certains ont fait apparaître les deux. -les autres n'ont rien fait apparaître en plus. 3) Les couleur du sang -la majorité a mis le sang en rouge. -certains ont mis le sang en rouge et bleu : *pour certains, il y a un sang "pur" et un sang "mauvais". *pour certains autres, il y a le sang qui coule rouge et les veines qui sont bleues. 4) Apparition de l'organe "CŒUR" -certains ne le font pas apparaître. -certains ont mis le cœur sans l'intégrer à leur circulation du sang. -les autres ont intégré le cœur à la circulation sanguine. 2/ Dissection d'un cœur de porc. La dissection-observation d'un tractus de porc (préférable à celui de mouton car sa taille est pratiquement celle de l’homme) est effectuée par le maître devant les élèves rassemblés autour d'une grande table lavable. L’observation et l'investigation sont dirigées. Il est très rentable de noter collectivement au fur et à mesure les observations sur un tableau ainsi que les questions qui se posent. Les élèves recopieront au final le compterendu de la dissection. Une première observation permet de nommer les organes connus : cœur, poumons mais aussi la trachée artère et de constater que le cœur est relié aux poumons par un ensemble de gros “tuyaux”. Qu’est-ce-qui passe dans les tuyaux ? Pour le savoir, il faut recréer les conditions habituelles de la vie. A l’aide d'un tuyau, le maître souffle dans la trachée en pinçant celle-ci sur le tuyau pour obtenir une bonne étanchéité. On observe que les poumons se gonflent et se dégonflent ce qui correspond aux actions d’inspiration et d’expiration comme nous l'avons vu auparavant. Une observation plus fine avec une nouvelle insufflation effectuée par un élève permet de constater que le cœur ne se gonfle pas d’air. On en déduira collectivement que les gros tuyaux ne conduisant pas de l’air ne peuvent conduire que du sang. Comment fonctionne le cœur? Une première expérience : voir http://www.youtube.com/watch?v=-9V47haFOsI&feature=related Il est possible de la faire, à tester également sur le tractus entier. → Grâce aux observations, quelques hypothèses sont possibles et d'autres questions peuvent émerger. Il faut disséquer le cœur pour voir ce qu'il y a à l'intérieur. Il est préférable d'utiliser un autre cœur que celui du Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère tractus précédent afin de le laisser entier si les élèves ont besoin de faire des observations complémentaires. Voir le travail de l'école de Sommière sur le cœur (bel exemple d'investigation) : http://alecole.ac-poitiers.fr/lamapnat/sommieres/coeur/Coeur.html#annexe (doc E dissection cœur) Lors de la dissection, les élèves peuvent voir que le cœur est un muscle. Voici 3 ateliers qui permettent de mieux se rendre compte de l'activité de ce muscle : Atelier 1 : Quelle quantité de sang le cœur pompe-t-il ? Matériel : 2 seaux, l'un contenant 4 litres d'eau, l'autre vide ; un récipient d'environ 200 ml (tasse); un chronomètre ; et une éponge pour nettoyer. De nombreuses personnes ne se rendent pas compte de la quantité de sang que pompe le cœur. Dans cet atelier, un seau contient environ 4 litres d’eau. Il y a aussi un seau vide et une tasse. La quantité de liquide qu’une tasse peut contenir est environ celle que pompe le cœur en un battement. Chronomètre combien de temps une personne de ton groupe met à transférer toute l’eau d’un seau à l’autre. → Combien de temps cela vous a-t-il pris ? (Le cœur le fait en une minute !) → Calcule combien de litres le cœur pompe en un jour (4L/min). Atelier 2 : Le cœur est un muscle Matériel : 4 balles de tennis et un chronomètre. Prends une balle de tennis dans ta main. Serre-la fortement. La force dont tu as besoin pour serrer la balle de tennis est équivalente à celle nécessaire pour pomper le sang hors du cœur. Essaie de serrer la balle autant de fois que ton coeur bat en une minute → Que ressent ta main après cet exercice ? → Comment serait votre main si vous faisiez cela constamment ? → Qu’est-ce que cela prouve à propos du muscle cardiaque ? Atelier 3 : Écoute ton cœur Matériel : Un stéthoscope, un chronomètre Utilise le stéthoscope pour écouter ton cœur. → Décris ce que tu entends. → Est-ce que le bruit que tu entends ressemble à celui que tu attendais ? → Écoute le cœur d’un autre membre de ton groupe. Compare les sons. → A quel endroit de ton corps entends-tu le mieux ton cœur ? → Compte en une minute le nombre de sons que tu entends, compare avec ton poul. Il peut être intéressant de leur montrer l'animation flash qui permet d'expliquer la provenance des bruits: http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=bio-0011-3 3/ La circulation sanguine annexe 7 Grâce aux différents documents de l'annexe 7, les élèves doivent compléter le schéma de la circulation sanguine (annexe 8) → Que se passe-t-il lors d'un effort physique et expliquer pourquoi? Faire la synthèse de tout ce qui a été vu pour apporter une réponse à la question. On peut situer le niveau de formulation autour de : - le cœur propulse le sang dans le corps (on ne rentre pas plus dans les détails) en se contractant. C’est un muscle. Il peut être comparé à une pompe. Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère - le sang et l’air se rencontrent dans les poumons sur la paroi de tout petits sacs appelés alvéoles. - Au niveau des alvéoles, le sang prend (dissout) de l’oxygène dans l’air et rejette du gaz carbonique. - la combustion des nutriments (rappel du module digestion) se fait au niveau des organes (muscles notamment) en présence d’oxygène qui est transformé en gaz carbonique. On peut sans problème introduire les symboles O2 et CO2. Cette combustion produit de l'énergie qui permet au corps de fonctionner (analogie avec la combustion de l'essence dans le moteur d'une voiture ou du gaz d'un briquet allumé devant les élèves). - C’est le sang qui amène l’O2 et les nutriments dans les muscles. C’est encore lui qui ramène le CO2 vers les poumons. Le sang est un transporteur. - L’activité physique intense augmente la combustion et donc la demande en O2 ce qui accroit la fréquence respiratoire et cardiaque. - Cette combustion produit de la chaleur. C’est pour cela qu’on a chaud quand on court. Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère III. Hygiène et santé Par groupes, les élèves peuvent préparer des exposés sur différents thèmes : → Les méfais du tabac. → Les bienfaits d'une pratique sportive régulière. → L'infarctus du myocarde → Les facteurs de risque des maladies cardio-vasculaires... Sites intéressants pour avoir des documents complémentaires : Il était une fois la vie : le sang partie 1 : http://www.dailymotion.com/video/x6wrih_05-le-sang-partie-1_webcam partie 2 : http://www.dailymotion.com/video/x6wrqg_05-le-sang-partie-2_webcam Il était une fois la vie : la respiration partie 1 : http://www.dailymotion.com/video/x6zy7f_08-la-respiration-partie-1_webcam partie 2 : http://www.dailymotion.com/video/x6zyud_08-la-respiration-partie-2_webcam Animations flash en biologie : http://www.biologieenflash.net/sommaire.html Stage Sciences cycle 3 nord Isère à BJ - Eric Bernardet – Animateur sciences Nord et Centre Isère
