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Le fonctionnement de l’appareil respiratoire

Fonctionnement de l’organisme et besoin en énergie

Cycle 4

5e

Introduction

Organisation des séances

Scénario organisé en 4 séances pour un total de 5h00.

  • Séance 1 : 1h30

  • Séance 2 : 1h00

  • Séance 3 : 1h30

  • Séance 4 : 1h00

Objectifs visés

  • Décrire les modifications respiratoires consécutives à la réalisation d’une activité physique.
  • Établir un lien entre travail musculaire et augmentation de l’intensité des échanges gazeux-respiratoires pulmonaires.
  • Prouver par l’expérimentation le rôle de l’appareil respiratoire dans l’approvisionnement en O2 de l’organisme.
  • Explorer l’organisation de l’appareil respiratoire et celle du tissu pulmonaire.
  • Prendre conscience de l’impact de substances nocives sur le fonctionnement de l’appareil respiratoire.
  • Adopter un comportement réfléchi face à la présence, dans notre environnement, de substances capables d’impacter la qualité de notre respiration.
  • Prendre soin de sa santé.

Pré-requis

Notions acquises en cycle 2

  • La respiration se manifeste par un échange de gaz entre un être vivant et son milieu.
  • Chez l’homme, le dioxygène nécessaire à la vie provient de l’air atmosphérique.
  • L’air pénètre dans le corps humain par le nez et/ou par la bouche.
  • Les échanges de gaz ont lieu au niveau d’un organe particulier : les poumons.
  • Le dioxygène nécessaire à la vie est transporté par le sang à partir des poumons jusqu’aux organes qui en ont besoin.
  • Le sang est mis en mouvement par le cœur.
  • Le sang apporte le dioxygène aux organes et récupère le dioxyde de carbone qui sera rejeté vers l’extérieur.

Séance 1

Durée

1h30

Situation déclenchante

Petite séance de flexions pour tous au sein de la salle de travaux pratiques de SVT.

À l’issue de cette courte activité physique, les élèves font part de leurs constats concernant les conséquences perceptibles sur leur propre organisme. Fréquence cardiaque et respiratoire augmentée, sensation de chaleur, essoufflement, etc., autant de remarques qui montrent que l’organisme doit s’adapter, répondre à des besoins accrus…

Problème

Quels sont ces besoins ? Quel(s) organe(s) présente(nt) une demande accrue durant l’effort ? Quelle demande ? Pourquoi ?

Compte tenu de leurs acquis du primaire, certains élèves auront déjà émis l’hypothèse que les muscles en activité sont responsables d’une demande accrue en dioxygène, cette dernière se traduisant par une augmentation de la fréquence et du débit respiratoires

Supports

  • Muscle frais.
  • Matériel expérimental : dispositif ExAO comportant une sonde oxymétrique, ordinateur.
  • Eau physiologique.

Consigne

Les muscles de notre corps ont besoin, pour fonctionner, de prélever dans leur environnement du dioxygène. Ils respirent.

Démontrez, à l’aide du matériel expérimental et en respectant le protocole présenté, qu’un muscle frais (ou morceau de muscle frais) respire. Schématisez le dispositif expérimental que vous avez utilisé et indiquez les résultats graphiques obtenus. Comparez ces résultats graphiques et concluez votre expérimentation à l’aide d’une phrase correctement rédigée.

Activités

Les élèves, aidés d’un protocole plus ou moins précis (certaines consignes peuvent être données à l’oral), mettent en place le dispositif expérimental. Ils peuvent opérer en commençant à mesurer, à l’aide de la chaîne ExAO l’intensité respiratoire du muscle frais. Le graphique visible sur l’écran de l’ordinateur doit faire apparaître une diminution significative de la concentration en O2 du milieu étudié.
En conservant le même montage ExAO, les élèves opèrent les mesures pour l’expérience témoin (absence de muscle au sein de l’enceinte du bioréacteur). Le graphique visible à l’écran doit montrer une non-variation de la concentration d’O2 du milieu.
Chaque élève peut alors reporter sur son compte rendu le schéma légendé du dispositif expérimental ainsi que les résultats graphiques. En comparant et en exploitant les deux tracés obtenus, il doit pouvoir conclure que le muscle frais absorbe du dioxygène. Cette consommation doit être mise en lien avec la respiration du muscle.
L’hypothèse émise par certains élèves en début de séance peut donc être expérimentalement validée

Production attendue

Réalisation technique, par groupes à effectif réduit, de l’expérience proposée. Construction de schémas légendés présentant le dispositif expérimental et les résultats graphiques obtenus. Exploitation des résultats et rédaction d’une phrase de conclusion.

Séance 2

Durée

1h00

Situation déclenchante

Une image ou une courte séquence vidéographique présentant un athlète en plein effort d’endurance rappelle que tout exercice physique aérobie s’accompagne, pour répondre aux besoins musculaires, d’une augmentation de l’intensité et de la fréquence respiratoires. L’appareil respiratoire doit permettre de répondre aux besoins musculaires en O2.

Ce constat effectué, l’enseignant peut partir des représentations mentales des élèves et leur demander de schématiser, sur une feuille blanche, le trajet qu’emprunte le dioxygène depuis sa présence dans l’air jusqu’à l’intérieur de l’organisme. Les organes et les structures anatomiques permettant cet acheminement jusqu’au système circulatoire doivent être schématisés.

La comparaison collective de ces productions schématiques et leur explicitation doivent mettre l’accent sur des schématisations parfois incomplètes, erronées ou maladroites. Ces remarques peuvent ainsi permettre de soulever les problématiques liées au sujet d’étude.

Problème

Comment est organisé cet appareil respiratoire ? Comment peut-il assurer l’approvisionnement de l’organisme en O2 ? Comment ce dioxygène peut-il diffuser naturellement dans le sang ?

Supports

  • Dissection légendée (réalisée par l’enseignant) de l’appareil respiratoire d’un mammifère.
  • Trame schématique permettant de légender les structures anatomiques observées grâce à cette dissection.

Consigne

À partir de la dissection légendée présentant l’organisation anatomique de l’appareil respiratoire et en utilisant les autres ressources mises à disposition, légendez le schéma présenté sur la fiche compte rendu. Indiquez, par une ou des flèches, le trajet exact emprunté par le dioxygène depuis l’atmosphère jusqu’au système circulatoire. Précisez, à l’aide d’une ou plusieurs phrases, les points communs et différences entre ce nouveau schéma et votre première représentation réalisée en début de séance.

Activités

Chaque élève prend connaissance de la dissection présentée et éventuellement commentée par l’enseignant. Les structures anatomiques observées (trachée, bronches, bronchioles…) sont repérées.

Chaque élève peut alors légender scientifiquement la trame schématique présente sur le compte rendu. En ajoutant une ou plusieurs flèches, l’élève indique le sens de diffusion du dioxygène, depuis l’atmosphère de la salle jusqu’aux alvéoles pulmonaires. Enfin, il revient sur sa première représentation schématique et, par comparaison avec son nouveau schéma, notifie, en rédigeant ces constats, quelques points communs (connaissances confirmées) ou différences (connaissances complétées ou corrigées).

Production attendue

  • Schéma fonctionnel légendé présentant les principales structures anatomiques de l’appareil respiratoire ainsi que le trajet emprunté par le dioxygène lors d’une inspiration.
  • Phrases de description des similitudes et différences notées entre les deux productions schématiques de chaque élève.

Séance 3

Durée

1h30

Situation déclenchante

Reprise de la dissection réalisée dans la séance précédente avec observation d’un « bloc » cœur-poumons. Les poumons disséqués laissent apparaître des traces de sang ainsi que des vaisseaux sectionnés. Rappeler que ces organes sont impliqués dans l’approvisionnement en dioxygène des muscles et des autres organes du corps.

Problème

Comment le dioxygène inspiré et maintenant contenu dans chaque poumon peut-il « passer » (diffuser) pour être amené jusqu’aux muscles et les autres organes du corps ?

Supports

  • Préparation du commerce de tissu pulmonaire et microscope photonique.
  • Fiche méthodologique (pouvant être proposée comme « coup de pouce ») présentant les pièces constituant le microscope photonique et leur utilisation.
  • Planche histologique présentant l’organisation du tissu pulmonaire.
  • Photographie présentant l’histologie de la partie terminale de l’arbre respiratoire (banque d’images de l’Inserm Serimidis, mot clé : Poumons)
  • Logiciel Images Actives et son tutoriel.

 

Consigne

Par binôme, en utilisant méthodiquement le microscope photonique, observez, au faible grossissement, le tissu pulmonaire. Repérez notamment des alvéoles pulmonaires proches de capillaires sanguins. Puis légendez et commentez, en utilisant le logiciel Images Actives, la photographie proposée du tissu pulmonaire.

Activités

Rappel : les élèves travaillent en binôme.

L’activité proposée demande tout d’abord d’entreprendre l’observation, au grossissement 40x par exemple, du parenchyme pulmonaire. Un élève centre son observation sur les alvéoles pulmonaires. La planche histologique (proposée par l’enseignant) permet de confirmer cette identification, mais aussi de repérer la présence de capillaires sanguins à proximité.

L’autre élève utilise le logiciel Images Actives afin de faire « parler » une capture numérique proche de l’observation réalisée au microscope. Là encore, la planche histologique permet de recueillir les informations utiles pour légender la production.

Le travail en binôme doit pouvoir faire émerger quelques commentaires simples concernant les deux structures principales pulmonaires étudiées (alvéoles/capillaires sanguins) et leur(s) probable(s) interaction(s) dans les échanges gazeux-respiratoires.

L’émission d’une hypothèse/conjecture concernant la diffusion du dioxygène du compartiment alvéolaire vers le compartiment sanguin pourra être soulignée et valorisée dans ces commentaires.

Bilan

Au terme de ces trois séances, l’observation et l’écoute de la séquence Corpus « La respiration » permettent de retrouver et de souligner les notions essentielles expérimentalement découvertes. Des mots clés, issus des commentaires associés, pourront être retenus afin de permettre aux élèves de dresser la synthèse de l’activité.

Séance 4

Durée

1h00

Situation déclenchante

Entrée dans l’activité par une situation contextualisée (tâche complexe 5e « Respiration et santé » sur le site SVT de l’académie de Strasbourg). Présentation de Brenda, de sa famille, et notamment de son petit frère, emmené à l’hôpital pour difficulté respiratoire sévère.

Problème

Qu’est-il arrivé au petit frère de Brenda ? Quelle pathologie présente-t-il ? Quelle en est l’origine ? Comment éviter que cela ne se reproduise ?

Supports

  • tableau présentant quelques pathologies respiratoires et les principaux symptômes cliniques associés ;
  • graphique illustrant l’augmentation du risque asthmatique en fonction de l’exposition à la pollution atmosphérique au dioxyde d’azote ;
  • relation graphique entre tabagisme passif et asthme chez les enfants.
  • Carte des indices de la qualité de l’air en Alsace pour le NO2 (le jour de l’hospitalisation du frère de Brenda) et tableau des correspondances indice/quantité de NO2 sur le site www.atmo-alsace.net.
  • Fiche méthode pour faciliter la lecture de représentations graphiques (« coup de pouce » pour les élèves en difficulté)
  • Lexique concernant quelques termes ou expressions scientifiques parfois méconnus des élèves (inflammation, toux grasse, glaire, risque relatif…).

 

Consigne

Exploitez les documents mis à disposition pour expliquer à Brenda ce qui est vraisemblablement arrivé à son petit frère et ce qui peut en être à l’origine. Quels conseils pouvez-vous donner à Brenda et à sa famille pour que son frère aille mieux ?

Activités

Après avoir sélectionné les informations utiles, chaque élève tente de mettre en relation les données recueillies afin de répondre, à l’écrit et de manière organisée, à la première consigne imposée : « Expliquez à Brenda ce qui est vraisemblablement arrivé à son petit frère et ce qui peut en être à l’origine. »

Partant des informations et de leur mise en relation cohérente, il conclut son argumentation par l’émission d’une hypothèse sur l’origine asthmatique des symptômes cliniques présentés par le frère de Brenda.

Sa démarche peut alors basculer sur quelques conseils de prévention, formulés à l’écrit, en direction de la famille. Ces conseils doivent prendre appui sur des informations sélectionnées dans le corpus documentaire proposé.

Bilan

L’activité de type tâche complexe, ici menée à l’écrit, doit permettre à chaque élève de prendre conscience de l’impact délétère causé par l’inhalation de certaines substances nocives sur le fonctionnement de l’appareil respiratoire.

Une projection de la séquence Corpus « Un vaccin contre l’asthme » est alors proposée pour renforcer cette prise de conscience et enrichir les connaissances de chacun.

Conclusion

Ce scénario pédagogique propose une association d’activités guidées (séance 1 par exemple) et d’autres plus ouvertes (séances 3 et 4 par exemple). Il peut permettre à l’enseignant de travailler progressivement sur la prise d’autonomie de chaque élève.
Le scénario n’aborde pas les mécanismes associés au rejet du CO2, déchet de la respiration par le muscle (ou tout autre organe respirant). Ce point, abordé dans la séquence Corpus « La respiration », peut être envisagé dans une évaluation sommative en travaux pratiques (montage expérimental avec muscle/eau de chaux/verrerie) ou en contrôle. Les savoir-faire utiles peuvent se rapprocher de ceux travaillés dans la première séance.
La quatrième séance proposée invite à sensibiliser les élèves à l’impact de notre environnement sur la santé de chacun. Le bilan établi à l’issue de cette séance peut constituer un levier pour engager, au sein de l’établissement et en lien avec le CESC, une démarche de projet axée sur la qualité de l’air, enjeu majeur pour la santé. Ce type d’action stimule les interactions entre les élèves et met en valeur leurs connaissances et savoir-faire.
Les notions acquises concernant ce thème des échanges gazeux respiratoires seront mobilisées en seconde (thème corps humain et santé, modifications physiologiques à l’effort), en première STL (enseignement de CBSV, appareils des êtres vivants) ou en terminale ST2S (physiologie de l’appareil respiratoire).

Vidéos utilisées

Suggestion de scénarios pédagogiques