utiliser les tÂches complexes pour...
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UTILISER LES TÂCHES COMPLEXES
POUR EXERCER LES ELEVES
AUX ETAPES 1 ET 3 DE L’ECE
PREMIER EXEMPLE : Vers l’étape 1
DEUXIEME EXEMPLE : Vers l’étape 3
Nathalie Bontempelli
Olivier Hanecart
Karine Voyer
TÂCHES COMPLEXES ET
DEMARCHE D’INVESTIGATION
COMPETENCES = CONNAISSANCES + CAPACITÉS + ATTITUDES
PREMIER EXEMPLE :
LE METABOLISME D’UNE CELLULE
Thème 1 Seconde : La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution du vivant : une planète habitée.
Partie : La nature du vivant
Connaissances :
« De nombreuses réactions chimiques se déroulent à l’intérieur de la cellule : elles constituent le métabolisme. Il est contrôlé par les conditions de milieu et le patrimoine génétique. »
Capacités et Attitudes travaillées :
- Exploiter des documents et mettre en relation des informations pour proposer une stratégie de résolution
- Réaliser une manipulation assistée par ordinateur
- Obtenir des résultats exploitables et résoudre un problème scientifique
Identification des souches
Lien structure et métabolisme
Lien information génétique et métabolisme
Lien métabolisme et
échanges cellulaires
avec l’environnement
UNE TÂCHE COMPLEXE POUR TRAITER
DIFFERENTS POINTS DU PROGRAMME
Idée essentielle : De nombreuses transformations
chimiques se déroulent à l’intérieur de la cellule : elles
constituent le métabolisme. Il est contrôlé par les
conditions du milieu et par le patrimoine génétique.
METABOLISME D’UNE CELLULE Dans un laboratoire de biologie, on
étudie le contrôle de la dégradation
du glucose en travaillant sur deux
souches différentes de cellules de
levures : la souche appelée RHO+,
capable de dégrader le glucose par
respiration, et une autre souche
appelée RHO-, incapable de dégrader le
glucose par respiration.
Pour cette étude, le laboratoire dispose de plusieurs flacons contenant
chacun une seule souche de levures, placée dans un milieu de culture (eau et
sels minéraux) dépourvu de glucose.
Mais, mises dans le réfrigérateur, leurs étiquettes se sont décollées.
Stagiaire dans ce laboratoire, vous êtes perplexe sur la manière de continuer
l’étude en cours...
Flacon contenant une des souches de levure dont l’étiquette s’est décollée
PROBLÈMES FORMULÉS PAR LES ÉLÈVES
Seconde 1 St Valéry en Caux
PROBLÈMES FORMULÉS PAR LES ÉLÈVES
A partir de l’exploitation des ressources,
proposer une démarche d’investigation
permettant :
- de retrouver le contenu de chaque flacon
- d’expliquer pourquoi la souche RHO+ est
capable de dégrader le glucose par
respiration.
La production sera sous la forme de 2 graphiques
issus des expériences réalisées, légendés et
accompagnés d’un court texte explicatif.
QUESTION
RESSOURCES
Ressource R : la respiration cellulaire, réaction du métabolisme
La respiration cellulaire est une réaction se déroulant dans le cytoplasme
des cellules au niveau d’organites spécialisés appelés mitochondries. Cette
respiration consiste à dégrader une molécule organique, le glucose
(C6H12O6) en consommant du dioxygène (O2) ce qui permet la production
d’énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule. Cette dégradation
s’accompagne d’un rejet de dioxyde de carbone (CO2) et d’eau (H2O).
La respiration cellulaire peut être résumée par l’équation suivante :
Glucose ( C6H12O6 ) + Oxygène ( O2 )
Dioxyde de carbone ( CO2 ) + Eau ( H2O ) + Energie nécessaire au
fonctionnement de la cellule
Ressource G : caractéristiques génétiques des souches RHO+ et RHO-
Les mitochondries sont des organites intervenant dans la respiration
cellulaire.
Pour le déroulement de la respiration, ces mitochondries doivent présenter
des crêtes mitochondriales fonctionnelles, qui est une caractéristique
contrôlée par un gène.
Les souches RHO- présentent une mutation pour ce gène, c'est-à-dire une
modification de la séquence nucléotidique : cette mutation ne permet pas à la
cellule d’avoir des crêtes fonctionnelles.
Les souches RHO+ possèdent ce gène sans mutation.
Ressource E : dispositif EXAO permettant d’étudier la
respiration cellulaire
Un dispositif EXAO (expérimentation assistée par ordinateur) permet de
mettre en évidence les réactions du métabolisme : la sonde à CO2 permet
d’étudier les variations de concentrations en CO2, la sonde à O2 permet
d’étudier les variations de concentrations en O2 dans le milieu. Le
logiciel présent sur l’ordinateur permet de tracer en temps réel les
variations de concentrations en O2 et en CO2 observées dans le milieu.
Ressource E :
Matériel à disposition sur la paillasse :
-Dispositif EXAO ci-dessus, avec sonde à O2 et sonde à CO2
-Deux béchers contenant chacun un échantillon provenant des
différents flacons qui ont perdu leurs étiquettes
-Matériel divers de laboratoire (verrerie, seringue d’injection,
pipettes...)
-Solution de glucose
Aide à la résolution de niveau 1
La consommation d’ O2 permet de savoir si la souche utilise le glucose
par respiration.
Aide à la résolution de niveau 2
Un dispositif EXAO va nous permettre de mesurer l’évolution de la
concentration en O2 pour connaitre le mode de dégradation du glucose
de chaque souche.
Aide à la résolution de niveau 3
Un dispositif EXAO va nous permettre de mesurer l’évolution de la
concentration en O2 pour connaitre le mode de dégradation du glucose
de chaque souche. Si la concentration en O2 diminue alors la souche
respire, et on peut identifier la souche.
Aide à la résolution de niveau 4 :
La souche qui respire, identifiée par une diminution de concentration
en O2 par le dispositif EXAO, possède une information génétique qui
lui permet d’avoir des mitochondries fonctionnelles.
AIDES A LA RESOLUTION
FAIRE PROPOSER UNE STRATEGIE DE
RESOLUTION PAR LES ELEVES
- Le problème à résoudre, issu de la situation déclenchante, doit être bien
approprié et bien compris par l’élève, d’où l’ intérêt de pouvoir le faire
formuler.
- Chaque ressource fournit au moins une information importante que l’élève
doit identifier et permettant de résoudre le problème.
- Chaque information est à mettre en relation avec les autres permettant de
répondre au problème scientifique .
- Ce travail est à « griffonner » sous forme de brouillon, pas de rédaction
précise attendue, pouvant être fait sous forme de texte, de successions
d’idées ou d ’« organigramme-carte mentale », avec organisation libre de la
réflexion.
PROBLÈME À RÉSOUDRE
Informations
issues de la
ressource R
Informations
issues de la
ressource E
Informations
issues de la
ressource G
ELABORATION D’UNE STRATEGIE
DÉMARCHES PROPOSÉES PAR LES ÉLÈVES
DÉMARCHES PROPOSÉES PAR LES ÉLÈVES
DÉMARCHES
PROPOSÉES
PAR LES
ÉLÈVES
DÉMARCHES PROPOSÉES PAR LES ÉLÈVES
DÉMARCHES
PROPOSÉES
PAR LES
ÉLÈVES
FICHE PROTOCOLE EXAO FOURNIE APRÈS
RÉFLEXION SUR LA DÉMARCHE
RÉSULTATS ÉLÈVES
Graphique 1 Graphique 2
EVALUATION FORMATIVE
DANS L’ESPRIT « ECE » Etape 1 : Concevoir une stratégie pour résoudre une situation problème
Critère 1 : proposer la démarche de résolution : (grande idée = identifier le problème + déterminer les moyens d’y répondre) Pour retrouver les différentes souches ce qui permettra de continuer l’étude, il faut déterminer quel flacon contient la souche qui respire, en mettant en évidence expérimentalement la respiration et en reliant cela à l’information génétique (ou aux mitochondries) de la levure. Critère 2 : description de la stratégie : La respiration cellulaire consomme de l’O2 en présence de glucose. Rho + respire et Rho- ne respire pas, On détermine grâce aux sondes (O2 et CO2) celle qui respire en présence de glucose. Comparaison par rapport à un témoin. Critère 3 : conséquences vérifiables et résultats attendus : Si la concentration en O2 diminue et la concentration en CO2 augmente en présence de glucose : la souche étudiée respire : c’est Rho +, elle possède l’information génétique permettant le déroulement de la respiration. Si les concentrations en O2 et en CO2 ne varient pas en présence de glucose : la souche étudiée ne respire pas : c’est Rho – : elle possède une information génétique mutée qui ne permet pas la respiration.
Niveau A : présence des trois critères
A
Niveau B : présence de
deux des trois critères
B
Niveau C : présence d’un
des trois critères
C
Niveau D : aucun des
trois critères D
Etape 4 : exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème
Critère 1 : saisie des résultats utiles Critère 2 : intégration des notions : lien entre résultats obtenus, les connaissances et les informations des ressources Critère 3 : réponse au problème
Sur graphique 1 : -pas de consommation d’O2 en présence de glucose, donc la souche
ne respire pas : c’est Rho- -elle possède une mutation dans son information génétique ce qui
provoque l’absence de mitochondries à crêtes, à l’origine de l’absence de respiration.
Remarque éventuelle : production de CO2 : idée d’un autre métabolisme sans consommation d’O2 Sur graphique 2 : - consommation d’O2 en présence de glucose et production de CO2,
donc la souche respire : c’est Rho+ - elle possède une information génétique qui permet la présence de mitochondries fonctionnelles à crêtes, à l’origine de la respiration.
La dégradation du glucose par les 2 souches Rho+ et Rho-
(métabolisme de la cellule) dépend de l’information génétique qu’elles portent.
Niveau A : présence des trois critères
A
Niveau B : présence de
deux des trois critères
B
Niveau C : présence d’un des
trois critères
C
Niveau D : aucun des
trois critères D
SECOND EXEMPLE :
LA REGULATION DE LA PRESSION ARTERIELLE Thème 3 seconde : Corps humain et santé : l’exercice physique
Partie : une boucle de régulation nerveuse
Connaissances :
« La pression artérielle est une grandeur contrôlée, elle est liée à la
fréquence cardiaque. Il existe des capteurs sensibles à la pression
artérielle, un centre bulbaire, un effecteur qui est le cœur ».
Capacités et Attitudes travaillées :
- Recenser, extraire et exploiter des documents historiques relatifs à
des travaux expérimentaux pour construire et/ou argumenter la
boucle de régulation nerveuse évoquée.
- Élaborer un schéma fonctionnel pour représenter une boucle de
régulation.
- Amener les élèves à présenter des résultats expérimentaux sous
diverses formes, afin de les exploiter ensuite.
Lors d’un effort physique, notre organisme est capable de s’adapter
en modifiant les paramètres cardiovasculaires. Ceci permet
d’optimiser le débit sanguin au niveau des organes qui travaillent.
Notre système cardiovasculaire peut aussi adapter sa réponse dans
d’autres cas physiologiques. Dans le cas d’une hémorragie, la pression
artérielle baisse dans un premier temps, mais retourne vers des valeurs
normales malgré la perte de sang.
UNE REPONSE ADAPTATEE
DU SYSTÈME CARDIOVASCULAIRE :
le cas d’une hémoragie
Problème : On cherche à comprendre comment le système cardio-
vasculaire permet un retour normal de la pression artérielle malgré
la perte de sang. (le problème peut être fourni ou à faire formuler
par les élèves )
Pour résoudre ce problème, vous disposez :
- d’un logiciel qui vous permet de réaliser virtuellement les expériences
historiques de divers physiologistes ayant travaillé sur l’origine de la
variation de la fréquence cardiaque et de la pression artérielle (logiciel
RegulPA).
- de documents complémentaires à lire avant d’utiliser le logiciel
La réalisation d’expériences virtuelles en utilisant le logiciel , associée
à l’exploitation des documents complémentaires, permettra de
répondre au problème. (la démarche est ici fournie, elle n’est pas à
travailler)
A partir de l’utilisation du logiciel et des
ressources mises à disposition :
- réalisez les expériences de simulations et
présentez les résultats sous la forme qui
vous semble la plus judicieuse.
- expliquez, à partir de l’exploitation des
résultats obtenus et des documents
fournis l’enchaînement des mécanismes
qui vont permettre un retour à une valeur
de pression artérielle normale suite à une
hémorragie.
QUESTION
Ressource H : paramètres physiologiques avant et après une
hémorragie
(pression artérielle systolique, volume d’éjection systolique et fréquence
cardiaque)
D’après Hachette seconde
Schéma RegulPA
Ressource N : des liaisons nerveuses entre le système nerveux
central et le système cardiovasculaire
Les artères carotides sont des ramifications de l’aorte qui conduisent le
sang vers la tête. Elles possèdent chacune un renflement appelé sinus
carotidien. La région des sinus carotidiens est reliée au bulbe rachidien par
le nerf de Héring.
Ressource E : expériences de Hering en 1924, et résultats
dans le tableau.
Hering isole le sinus carotidien, le renflement situé à la base de la
carotide interne, il le transforme en cul de sac et il y injecte un
liquide physiologique en plus ou moins grande quantité, ce qui
permet de faire varier la pression : plus il y a de liquide, plus la
pression est forte et inversement.
Des électrodes réceptrices sont placées sur le nerf de Hering, le nerf
parasympathique, et le nerf sympathique. Elles permettent
d’enregistrer les messages électriques dans chacun des nerfs.
Aide pour regulPA niveau 1
Si vous clampez ici, la pression
augmente dans le sinus carotidien
Si vous clampez ici, la pression
diminue dans le sinus carotidien
Vous pouvez utiliser la pendule pour évaluer la fréquence cardiaque
Cliquer ici pour afficher
les variations de la
pression artérielle
Aide pour regulPA niveau 2 A chaque étape ci-dessous
déterminer la FC et Les 2
valeurs de PA (après avoir
déterminé ces mêmes
valeurs sans intervenir)
puis réinitialiser entre
chacune d’elles :
- Commencer par couper
le nerf sympathique.
- Procéder de même sur
le nerf
parasympathique.
- Clamper sous le sinus.
- Clamper et couper le
nerf de Héring.
- Clamper au dessus du
sinus.
- Clamper et couper le
nerf de Héring.
Aide à la résolution 1 Aide à la résolution 2
Dans l’organisme il existe
aussi des structures qui
jouent le rôle de « capteurs »,
de « centre de commande », et
« d’effecteur ».
Les nerfs reliant ces
structures permettent de
véhiculer des messages
nerveux.
Aide à la résolution 3
Dans les sinus carotidiens
existent des « capteurs »
sensibles à la pression
artérielle (barorécepteurs).
Les nerfs de Héring sont des
nerfs sensitifs, les messages
nerveux y circulent de la
périphérie vers le centre.
Rythme
cardiaque en
battements/
minute
Pression artérielle
systolique
Pression artérielle
diastolique
Section du nerf Héring 104 14 9
Section du nerf
parasympathique 108 14 9
Section du nerf sympathique 80 10 6
Clamper partie supérieure
sinus carotidien 56 7 4
Clamper partie inférieure sinus
carotidien 160 19 13
Clamper les deux parties sinus
carotidien 148 19 13
Sans section et sans clamper 88 11 3
Résultats suite à diverses sections de nerf, et d’interruptions
de la circulation au niveau des sinus carotidiens
EXEMPLE 1 : PRODUCTION DE RESULTATS
SOUS FORME DE TABLEAU
Seconde D Lillebonne
Effets des différentes expériences sur le rythme
cardiaque et la pression artérielle
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180S
ectio
n d
u n
erf
Hé
rin
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Se
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pa
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Cla
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Sa
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r
différentes régulations nerveuses
rytm
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ard
iaq
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et
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ion
art
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ell
e
Rythme cardiaque
Pression artérielle
systolique
Pression artériele
diastolique
EXEMPLE 2 : PRODUCTION DES RESULTATS
SOUS FORME D’HISTOGRAMMES
EXEMPLE 3 : RÉSULTATS
SOUS FORME DE CAPTURE D’ÉCRANS
EVALUATION ÉTAPE 3 TYPE ECE
Etape 3 : Présenter les résultats pour les communiquer
Critère 1 : Production techniquement correcte :
Expression scientifique des résultats expérimentaux avec
respect des critères de réalisation :
Tableau
Graphique
Schéma
Images
Critère 2 : Production bien renseignée :
Titre adapté
Légendes complètes, axes bien renseignés, unités
exactes…
Cohérence des données
Complément d’explications si nécessaire
Critère 3 : Production bien organisée qui donne du sens :
doit permettre de répondre à l’étape 4
Les données sont complètes , logiquement présentées,
accompagnées d’une ou deux phrases qui donnent du
sens et permettent de pouvoir répondre à l’étape 4
Niveau A :
présence des
trois critères
A
Niveau B :
présence de
deux des trois
critères
B
Niveau C :
présence d’un
seul critère
C
Niveau D :
aucun des trois
critères
D
Etape 4 : exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème
Critère 1 : saisie des résultats utiles Critère 2 : intégration des notions : lien entre résultats obtenus, les connaissances et les informations des ressources Eléments de réponse nécessaires pour la compréhension :
Immédiatement après l’hémorragie la FC augmente alors que la PA a diminué.
5 minutes après la FC est très élevée et la PA revient vers une valeur normale.
Le nerf de Héring relie le sinus carotidien au bulbe rachidien
Les messages nerveux sont peu nombreux dans le nerf de Héring quand la PA est basse dans le
sinus carotidien
Dans ce cas, les messages nerveux sont peu nombreux dans le nerf parasympathique et
nombreux dans le nerf sympathique
C’est l’inverse si la pression est élevée.
Si on coupe le nerf de Héring la fréquence cardiaque diminue.
Si on augmente la pression dans les sinus carotidien la fréquence cardiaque diminue et
inversement
Il existe des récepteurs sensibles à la pression dans les sinus carotidien (ce sont les capteurs)
Le nerf de Héring est un nerf sensitif
Le bulbe rachidien est le centre nerveux qui régule la fréquence cardiaque et la PA : c’est le
centre de commande
Le cœur est l’effecteur de la régulation de la PA
Critère 3 : réponse au problème Compréhension globale complète :
Explications complètes et ressource R utilisée de manière adaptée pour expliquer la
boucle de régulation :
Baisse de la PA diminution de messages nerveux dans les nerfs de Héring émission
de messages nerveux à partir du bulbe véhiculés par les nerfs sympathiques
augmentation de la fréquence cardiaque augmentation de la PA.
Niveau A : présence des trois critères
A
Niveau B : présence de
deux des trois critères
B
Niveau C : présence
d’un des trois critères
C
Niveau D : aucun des
trois critères D
BILAN
DES
GRANDES
IDEES
Préparer
les élèves
à Dans
notre
pratique
Rédiger, formuler
une stratégie de
résolution Rédiger un brouillon
Communiquer
scientifiquement
Définir les
règles de
communication
Concevoir une
évaluation
personnalisée pour
les élèves
Lister
l’idée
essentielle Abréviations, faute
d’orthographe, mots
clés, carte mentale,
enchainements
logiques
Capture d’image,
schéma, graphique,
organigramme
accompagnés de
quelques phrases
explicatives
Lister les idées
essentielles dans les
programmes
Apprentissage du II2
Apprentissage du I
Apprentissage des étapes
des ECE
Étape 1 ECE Étape 1 ECE
Ecrit du bac
Étape 3 ECE
Grilles curseurs
I et II2ECE