La séquence proposée appartient au domaine de sciences et technologie, plus précisément au thème « Le vivant, sa diversité et les fonctions qui le caractérisent ». Ce sujet porte sur les besoins des végétaux chlorophylliens, qui s’adresse à une classe de CM1, est au programme de cycle 3 dans les programmes du Bulletin officiel du 26 novembre 2015. Dans cette séquence nous répondrons à la question suivante : « Quels sont les besoins des végétaux verts pour leur croissance et leur développement ? » Nous aborderons dans une première partie les fondements scientifiques relatifs au sujets ce qui comprend les connaissances scientifiques, les fondements institutionnels en lieu avec le bulletin officiel et le socle commun de connaissances, de compétences et de culture ainsi que la démarche d’investigation. La présentation de la séquence constituera la deuxième partie. Partie I : Synthèse des fondements scientifiques 1. Les connaissances scientifiques : Les étapes de la vie d’une plante à fleur sont la germination, le développement de l’appareil végétatif (racines, tiges et feuilles) et sa croissance, suivis de la floraison, de la pollinisation et de la fructification. Nous allons ici nous intéresser aux besoins des végétaux chlorophylliens durant leur développement et leur croissance, qui sont différents de ceux nécessaires à la germination. Les végétaux grandissent grâce à deux phénomènes : la multiplication cellulaire et l’élongation cellulaire. Ces deux phénomènes ont lieu dans des structures localisées aux extrémités des tiges (bourgeon) et des racines (coiffe racinaire). La plante, pour se développer puise dans le sol et donc dans la terre des éléments essentiels comme les sels minéraux : calcium, potassium issus de la matière organique. On appelle matière organique toutes les matières produites par les êtres vivants. Feuilles mortes, poils ou plumes qu'on trouve par terre sont de la matière organique. La croissance des végétaux chlorophylliens s’effectue à l’aide de la lumière comme source d’énergie. En effet, les végétaux chlorophylliens n’ont besoin pour se nourrir que de matières minérales (eau, éléments minéraux et dioxyde de carbone) et de lumière. Ce sont des organismes autotrophes : ils sont capables de synthétiser leur propre matière organique (indispensable à leur croissance) à partir uniquement de matières minérales. L’autotrophie se différencie de l’hétérotrophie. Les végétaux chlorophylliens étant autotrophes, ils sont le premier maillon de la chaine trophique, ils sont appelés des producteurs primaires. Comment l’eau et les sels minéraux sont puisés ? Les végétaux chlorophylliens absorbent l’eau et les sels minéraux du sol par les racines au niveau des poils absorbants. Les substances prélevées à l’aide des poils absorbants vont alors circuler dans toute la plante à l’aide des vaisseaux de xylème. Dans ces vaisseaux, la sève brute va circuler jusqu’aux feuilles et celles-ci vont prélever le dioxyde de carbone présent dans l’air (au niveau des stomates). La montée des eaux est assurée par la transpiration des feuilles qui provoque un phénomène de pompage et, dans une moindre mesure, la poussée racinaire. Comment les végétaux transforment la matière minérale en matière organique ? Cette transformation est possible grâce au mécanisme de la photosynthèse. La photosynthèse est aussi le processus qui transforme le carbone minéral (CO2 atmosphérique) en carbone organique C6H12O6. La photosynthèse produit un déchet lors de la première phase : le dioxygène rejeté en partie par les plantes dans l’atmosphère. La formation de glucose s’accompagne de la formation de dioxygène qui permet à l’atmosphère de s’enrichir en O2 : d’où l’expression : « les végétaux sont les poumons de la Terre ». On s’aperçoit aujourd’hui que les arbres longtemps considérés comme seuls « poumons » ne sont pas la seule source d’O2, les algues qui se trouvent à la surface des océans enrichissent en O2 les mers mais aussi l’atmosphère en proportion non négligeable. 1 La photosynthèse n‘existe qu‘à la lumière et dans cellules chlorophylliennes. Ces cellules riches en chloroplastes sont nombreuses surtout dans la partie supérieure du limbe des feuilles (partie la plus éclairée) mais absentes de tous les organes souterrains ou non verts (fruits ….) EQUATION BILAN de la PHOTOSYNTHESE Le CO2 est absorbé au niveau des feuilles par les stomates. Lors de la phase photochimique de la photosynthèse, les cellules chlorophylliennes vont capter la lumière. Une succession de réactions d’oxydoréduction vont alors se dérouler dans la membrane des thylakoïdes (dont la photolyse de l’eau). Ces réactions permettent la libération de l’énergie sous forme d’ATP. Arrive ensuite la phase non photochimique durant laquelle le CO2 entre dans le cycle de Calvin pour être transformé en glucose Enfin, que devient ce glucose ? Une partie de la matière organique fabriquée va être utilisée aux propres besoins de la feuille. L’autre partie va être transportée dans la sève élaborée dans les vaisseaux de phloème : c’est à partir des sels minéraux et du glucose que l’ensemble de la matière organique est produite. Ces vaisseaux vont rejoindre les zones de croissance et les zones de stockage (fruit, bulbe, tubercule.) Enfin, la température est également un facteur clé́ de la croissance et du développement des plantes, elle a une influence sur les plantes à court et à long termes. Les plantes disposent donc chacune d’une température optimale de développement qui dépend de leur origine géographique. Généralement, on constate une accélération des processus biologiques 2 lorsque la température augmente et une diminution de ceux-ci lorsqu’elle diminue. Cependant, à des températures extrêmes, les plantes meurent. En définitive, pour grandir et se développer, les végétaux ont besoin de lumière, d’une température optimale de développement, de dioxyde de carbone, d’eau et de sels minéraux. 2. Les fondements institutionnels : D’après le Bulletin officiel du 26 novembre 2015 et d’après le projet d’ajustement et de clarification des programmes de sciences des cycles 2,3 et 4 : Le domaine Sciences et Technologie se décompose en 4 thèmes au cycle 3 et chacun de ses thèmes à des attendus de fin de cycle qui lui sont propres. Concernant le thème « le vivant, sa diversité́ et les fonctions qui le caractérisent » l’attendu de fin cycle en lien avec les besoins des organismes chlorophylliens est : expliquer l’origine de la matière et son devenir. Concernant les connaissances et les compétences associées, elles sont : - Découvrir que tout être vivant produit sa matière à partir de celle qu’il consomme ; - Relier la production de matière par les organismes chlorophylliens et leurs besoins en lumière, eau et sels minéraux Cet apprentissage s’effectue en lien avec 4 domaines du Socle Commun de connaissances, de compétences et de culture : Domaine 1 : Les langages pour penser et communiquer. Pratiquer la langue en rendant compte des observations, expériences, hypothèses, conclusion en utilisant un vocabulaire précis, en exploitant un document constitué de divers supports ou encore en expliquant un phénomène à l’oral et à l’écrit. Domaine 2 : Les méthodes et outils pour apprendre. S’approprier des outils et des méthodes en choisissant ou en utilisant le matériel adapté pour réaliser une expérience, en gardant une trace écrite des recherches, des observations et des expériences réalisées ou en organisant seul ou en groupe un espace de réalisation expérimentale. Domaine 3 : La formation de la personne et du citoyen. Relier des connaissances acquises en sciences et technologie à des questions de santé, de sécurité́ et d’environnement. Domaine 4 : Les systèmes naturels et les systèmes techniques : pratiquer des démarches scientifiques. Pratiquer des démarches scientifiques afin de résoudre un problème ou répondre à une question de nature scientifique. 3. La prise en compte des élèves : - Les prérequis et les repères de progressivité : Nous nous plaçons dans le cas où les élèves ont déjà acquis des connaissances sur les besoins vitaux des végétaux. Au cycle 2, c’est surtout le besoin en eau des végétaux qui est abordé. De plus, la germination aura fait l’objet d’une séquence précédemment. La diversité des réseaux trophiques à partir de milieux varies et la place particulière des organismes chlorophylliens seront abordées en 6ème. -Les difficultés : Conception de l’investigation : Ne faire varier qu’un seul facteur dans le cas de l’expérience et comprendre l’expérience témoin Comprendre que les sels minéraux n’ont pas de rapport avec le sel. Percevoir les besoins en air. En effet les végétaux se « nourrissent » de matière minérale liquide et solide : eau et sels minéraux (comme nous) mais aussi de matière minérale gazeuse CO2: concept difficile à concevoir pour des jeunes élèves car cette matière est invisible et donc n’existe pas pour eux. D’ou l’importance du chapitre sur la matière comprenant l’étude de l’air. 3 4. Les sciences à l’école : Il n’existe pas un courant pédagogique meilleur qu’un autre cependant, de nombreuses recherches en didactique ont montré que le courant constructiviste est un courant qui favorise l’autonomie et la construction de stratégies d’apprentissages. C’est une démarche dans laquelle les élèves sont actifs, ils construisent leurs connaissances en se confrontant à une problématique. La démarche d’investigation utilisée dans cette séquence est en accord avec ce courant puisque l’élève construit son savoir en réfléchissant, en expérimentant et en manipulant. Cette démarche a été instaurée dans les années 2000 en France par la Commission européenne. La démarche d’investigation favorise le goût des élèves pour l’apprentissage ainsi que leur participation aux activités en sciences comme en français Notamment pour les élèves à besoins éducatifs particuliers, l’expression orale que génère l’émission d’hypothèses, l’argumentation et la discussion autour des expériences menées, améliore sensiblement la mémorisation des notions. Cette démarche d’investigation procède à un raisonnement hypothético-déductif qui se caractérise en plusieurs étapes : - Etape 1 : La situation déclenchante. L’enseignant propose une situation de départ qui suscite l’intérêt des élèves, qui les intéresse. - Étape 2 : Formulation d’un problème scientifique. Les élèves expriment leurs représentations premières, leurs connaissances sur le sujet et posent leurs questions. L’enseignant organise les premières idées et les questions des élèves afin de déterminer la problématique scientifique. - Étape 3 : Emissions d’hypothèses. Les élèves émettent des hypothèses qui permettent de répondre à la problématique. - Étape 4 : Conception et réalisation de l’investigation. Les élèves élaborent des protocoles permettant de vérifier les hypothèses. Une fois la validation par l’enseignant, les élèves mettent en place les expériences. - Étape 5 : Synthèse et interprétation des résultats. Les élèves observent et interprètent les résultats ce qui permet de valider ou non les hypothèses... - Étape 6 : Structuration des connaissances. Les élèves avec l’aide de l’enseignant mettent en forme la trace écrite sous forme de réponse à la problématique. Partie II : Description d’une séquence pédagogique : Cette séquence permettra de résoudre la problématique suivante : Quels sont les besoins des végétaux verts pour leur croissance et leur développement ? Déroulement de la séquence : 4 5 Séquence : Les conditions de développement Séance 1 : Faire émerger les et de croissance des végétaux connaissances des élèves Compétences du socle travaillées : - Proposer une ou des hypothèses pour répondre à une question ou un problème ; - Proposer des expériences simples pour tester une hypothèse ; - Choisir ou utiliser le matériel adapté pour réaliser une expérience. Matériels : TBI, cahier de recherche CM1 Durée Forme de travail 5 min Collective 10 min 10 min 20 min Déroulement Phase 1 : Situation de départ. Une séquence portant sur la germination a été́ réalisée au préalable. Les élèves ont déjà̀ des connaissances concernant les besoins des végétaux et ont déjà̀ réalisé́ des expériences. Ils auront dû emmener des plantes chez eux afin de les maintenir en vie. En rentrant de vacances, les élèves et l’enseignant vont comparer ces plantes. La séance débute avec un rappel sur le développement des végétaux avec la germination. Individuelle Phase 2 : Formulation d’un problème scientifique. Le professeur demande aux élèves pourquoi certaines plantes ont plus poussé que d’autres. Le PE et les élèves arrivent donc à la problématique suivante : « de quoi les plantes ont- elles besoin pour se développer et croitre ? ». L’enseignant explique donc qu’il faut donc étudier le développement et la croissance des plantes (il définit donc les deux termes au tableau de façon à ce que les élèves comprennent ce qui va être observé). Les élèves vont certainement rappeler les besoins des végétaux durant la germination mais l’enseignant expliquera bien qu’ici il n’est pas question de germination, mais de croissance, de développement. L’enseignant demande ensuite aux élèves de répondre à cette question dans leur cahier de recherche. Il passe dans les rangs afin d’observer leur travail et aider ceux qui sont en difficulté́ . Afin d’aider les élèves en difficulté́ , l’enseignant va les aider en les amenant à comparer les plantes dans la classe avec les plantes qu’ils ont possiblement chez eux, afin de savoir ce que leurs parents font pour s’occuper de leurs plantes. Collective Binôme Phase 3 : Émission d’hypothèses. Une fois que les élèves ont répondu dans leur cahier de recherche, l’enseignant fait une mise en commun. Les élèves émettent donc leurs réponses et pour répertorier celles-ci, le professeur réalise, à l’aide du TBI, une carte mentale. Les réponses attendues sont : l’eau, les engrais, la lumière, la chaleur, terre et le dioxyde de carbone. L’enseignant va profiter de ce moment pour apprendre aux élèves à formuler correctement une hypothèse. Phase 4 : Conception de l’investigation. Une fois la carte mentale réalisée, le PE repartit les élevés en binôme. Chaque binôme se verra assigner à un facteur (trouvé précédemment sauf le dioxyde de carbone) et ils devront trouver une expérience permettant de valider ou non l’hypothèse émise. Ils devront également expliquer ce qu’ils vont mesurer (taille, masse, nombre de feuilles). Le professeur passe voir chaque groupe afin de valider l’expérience ou de les aider. Il pourra aider les élèves en difficulté́ en leur présentant tout le matériel disponible pour la réalisation de l’expérience. Chaque binôme aura une fiche d’expérience à remplir que l’enseignant vérifiera (annexe 1). L’enseignant insistera sur l’importance de réaliser une expérience témoin. 6 Séquence : Les conditions de développement Séance 2 : Réalisation des et de croissance des végétaux expériences Compétences du socle travaillées : - Organiser en groupe un espace de réalisation expérimentale ; - Extraire les informations pertinentes d’un document et les mettre en relation pour répondre à une question. Matériels : TBI, cahier de recherche, appareil photo et graines, pots, terre, terreau,eau, bâton... CM1 Durée 15 min Forme de travail Collective 20 min Binôme 15 min Déroulement Phase 1 : Rappel de la séance précédente. Le professeur projette sur le TBI la carte mentale et demande à chaque binôme d’expliquer l’expérience qu’il va mener. Phase 2 : Réalisation de l’investigation. Une fois toutes les expériences abordées, les élèves peuvent commencer à les réaliser, toujours sous la tutelle du professeur. L’enseignant aura au préalable fait germer des graines que les élèves utiliseront. Une fois chaque expérience réalisée, les élèves devront prendre en photo celle-ci afin de pouvoir réaliser des comparaisons et remplir leur feuille de recherche. Les élèves devront prendre en photo et s’occuper de leur plantation tous les jours pendant 21 jours. La séance 2 et la séance 3 devront être espacées d’au moins une semaine afin de laisser les plantes pousser suffisamment. Chaque semaine, les élèves rempliront leur tableau des résultats (annexe 2). Phase 3 : Extraire des informations. Une expérience permettant de Individuelle mettre en évidence les besoins en dioxyde de carbone de la plante est compliquée à mettre en place, un document sera donc distribué aux élèves et ils rempliront directement la fiche d’expérience à partir de ce document (annexe 3). Séquence : Les conditions de développement Séance 3 : Découverte des et de croissance des végétaux résultats Compétence du socle travaillées : - Interpréter un résultat, en tirer une conclusion (domaine 4) ; - Formaliser une partie de sa recherche sous une forme écrite ou orale (domaine 4). Matériels : tableau, cahier de sciences, feuille de recherche, tableau de recherche CM1 Durée Déroulement 10 min Forme de travail Binôme 20 min Collective 10 min Phase 4 : Structuration des connaissances. L’enseignant écrit au Individuelle tableau le début de la trace écrite à l’aide des élèves : les définitions des termes ainsi qu’une phrase reprenant les besoins des végétaux. Phase 1 : Les élèves récupèrent leurs expériences et répondent à leur feuille de recherche. Le professeur regroupe toutes les photos afin de les projeter au TBI et de pouvoir réaliser des comparaisons entre le début de leur expérience et la fin. Phase 2 : Synthèse et interprétation des résultats. Chaque binôme va présenter ses résultats à la classe et valider ou non leur hypothèse. 7 Séquence : Les conditions de développement et de croissance des végétaux Compétence du socle travaillées : - Extraire des informations pertinentes d’un document ; - Suivre une démarche d’investigation. Matériels : TBI, documents, fleurs, colorants CM1 Durée Forme de travail 10 Collective min Séance 4 : Le trajet de l’eau Déroulement Phase 1 : Par où l’eau est absorbée ? L’enseignant demande aux élèves quelle(s) partie(s) de la plante absorbe(nt) l’eau. Les hypothèses des élèves sont les suivantes : - Par les racines ; - Par les feuilles. L’enseignant demande alors aux élèves quelles expériences ils pourraient réaliser afin de savoir par ou l’eau pénètre. Avec l’aide de l’enseignant, ils vont retenir une expérience qui consiste à mettre une première plante dans une éprouvette graduée avec les feuilles placées dans l’eau. Une deuxième plante est placée dans une éprouvette graduée avec les racines dans l’eau et enfin une troisième éprouvette graduée qui ne contient que de l’eau. Dans les trois tubes il y a la même quantité́ d’eau au début de l’expérience. L’enseignant aura réalisée au préalable cette expérience car les résultats prennent du temps à entre vus. De cette façon, les élèves se rendront compte que l’eau pénètre bien par les racines puisque dans le vase avec les racines dans l’eau, il y aura un niveau d’eau plus faible. Phase 2 : et ensuite ? l’eau va où ? Cette expérience va permettre de montrer que l’eau circule dans toute la plante jusqu’aux feuilles. Pour que les élèves puissent trouver une expérience permettant de suivre le chemin de l’eau dans la plante, l’enseignant va présenter les matériels : - Une rose blanche. - Encre colorée. Une fois l’expérience trouvée, un élève viendra la réaliser au tableau devant tout le monde. La fleur change de couleur après 5 à 6 heures. Il faut donc attendre la fin de journée pour observer les résultats. Les enfants ont la preuve que l’eau remonte dans la tige jusqu’aux pétales. L’enseignant aura au préalable mis une branche de céleri dans le colorant et réalisera une coupe transversale de la branche de céleri afin de montrer aux élèves que l’eau circule dans la plante grâce à des petits canaux. 15 min Collective 20 min Individuelle Phase 3 : Réalisation d’un schéma bilan. Les élèves devront réaliser un et schéma bilan du trajet de l’eau dans la plante (annexe 5). Ce schéma collective sera collé dans la trace écrite. Une fois le schéma réalisé, les élèves rédigent le début de la trace écrite avec l’aide de l’enseignant dans leur cahier de sciences. 8 Séquence : Les conditions de Séance 5 : Pour aller plus loin développement et de croissance des végétaux Compétences du socle travaillées : Extraire des informations pertinentes d’un document pour dégager les besoins d’une plante - Exploiter un document contenant un tableau pour mettre en évidence la composition d’une eau minérale Matériels : documents, vidéo, étiquettes d’eau minérale, cahier de sciences CM1 Durée Forme de travail Déroulement Dans cette séance, l’objectif est de se rendre compte que les plantes n’ont pas besoin de terre pour grandir et se développer, elles ont seulement besoin des éléments minéraux qui se trouvent dedans. Les résultats des expériences ayant montré que la plante n’a pas besoin de terre, les élèves vont se demander pourquoi on l’utilise toujours dans les cultures ? 10 min Individuelle Phase 1 : Extraire des informations. Durant cette phase, l’enseignante distribuera un document aux élèves : « des salades qui poussent sans terre ». Les enfants devront extraire les informations du document (annexe 4). Ce document est composé de photographies et d’un texte. Les élèves devront comprendre à l’aide de ce document : - Qu’il est possible de faire des cultures de plantes sans que cellesci soient cultivées dans la terre ; - Qu’il faut apporter l’eau minéralisée aux plantes pour qu’elles poussent. 15 min Collective Phase 2 : Correction et explication. L’enseignant réalise une correction collective. Il interroge les élèves pour connaitre leurs réponses et notent la correction en apportant des explications. Pour aider les enfants dans la compréhension, l’enseignant fera visionner une vidéo de culture hors-sol : culture hydroponique (https://www.youtube.com/watch?v=WL9GbmDNPoo&frags=pl%2 Cwn). Si le temps nous le permet il peut être très intéressant de réaliser une culture hors-sol dans la classe et de faire varier les quantités de sels minéraux : il en faut, mais pas trop. 20 min Individuelle et collective Phase 3 : comprendre la notion de sels minéraux. L’enseignant distribue des étiquettes d’eau minérale afin que les élèves étudient la composition de différentes eaux. Ils pourront remarquer la présence de calcium dans l’eau qui est souvent connue par eux. De cette façon, les élèves vont pouvoir comprendre ce que sont les sels minéraux et que les plantes ont besoin de la terre uniquement pour prélever ceux-ci. Des bouteilles d’engrais liquide seront également distribuées aux élèves : les élèves pourront constater la présence de sels minéraux dans celles- ci. Phase 4 : Structuration des connaissances, conclusion Les élèves rédigent la fin de la trace écrite avec l’aide de l’enseignant dans leur cahier de sciences (annexe 5). 9 Annexe 1 ANNEXES Annexe 2 10 Annexe 5 Annexe 6 : Trace écrite Annexe 7 Evaluation A et B 11 12
