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1. Nombre de copies o la r ponse ne figure pas 18 soit 27 Nombre de copie o la r ponse est jug e incorrecte 13 soit 20 Exemple d une r ponse jug e correcte y premier qe fassent decese qu a fu fon dux KYT x cte can own iex FAGLOPEI NE ASE tasses fes Post dan obgek xemis de r ponses impr cises ou inexactes LBY Pancet 25 Ce T trast pui Les mEnE SER NN pas LD 2 A t Anonn 5 re ae a We IN ent FERE Y Naomi x Th Bam u AO AR MLAN re da ELLE On AL Logh nanml d ou Une majorit d l ve a correctement r pondu L utilit du microscope est comprise Certains l ves n ont pas r pondu cette question les questions ne sont pas lues jusqu au bout ou les consignes ne sont pas respect es ce qui est un autre probl me Certains l ves n ont pas bien per u l utilit d un microscope Appr hender les chelles du vivant p 30 Annexe 4 QUESTIONNAIRE SUR LES ECHELLES DU VIVANT ET LEURS OBSERVATIONS Non Les chelles du vivant Pr nom oise et leurs observations Classe nnani R pondez aux questions suivantes 1 Quelle est la taille d une graine de lentille 2 Quelle est la taille d une spore de foug re 3 Comparer la taille d une graine de lentille et d une spore de foug re 4 Une cellule est combien de fois plus petite qu un m tre 10 fois 100 fois 1000 fois etc 5 Quelle est la taille moyenne d un virus 6 Quelle est2. 2 1 Rappel historique d couverte du microscope et de la cellule naissance d une th orie 2 2 L approche au travers des programmes 2 3 L approche p dagogique dans les manuels scolaires 3 LA STRATEGIE POUR LEVER LES OBSTACLES 3 1 L l ve doit s approprier les outils 3 2 Insister sur les d finitions et les m thodes 3 3 Travailler en interdisciplinarit 3 4 Motiver les l ves par des images frappantes CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE ANNEXES Appr hender les chelles du vivant p 4 Introduction Les programmes des Sciences de la Vie et de la Terre au coll ge et au lyc e confrontent les l ves aux probl mes d chelles d espace et de temps Pour ne citer que quelques exemples La cellule unit d organisation des tres vivants en classe de sixi me le fonctionnement de l appareil respiratoire de l organe l alv ole pulmonaire en classe de cinqui me d finition du ph notype diff rentes chelles de l organisme la mol cule en classe de premi re S jusqu la notion de temps en biologie et g ologie qui est le fil conducteur du programme de terminale S Pour autant ces notions semblent bien mal per ues par les l ves dans ces diff rents niveaux de scolarit Et on retrouve ces m mes difficult s dans l enseignement sup rieur comme le soulignent les observations sur ces sujets dans les rapports d examen ou de concours Ce qui pose la probl matique suivante comment faire mieux appr hender aux
3. Longueur d une cellule d oignon 200 um taille r elle d un bulbe d oignon 5 cm de diam tre rapport entre les deux 5x10 200x10 250 Donc pour une cellule mod lis e par un sucre de 2 cm il faudrait un bulbe mod lis par une maquette de 250 x 5 cm soit 12 50 m Bar me exploitation Not 1 si exact O si inexact NR si non r pondu Total possible 14 Appr hender les chelles du vivant p 32 EXPLOITATION DES QUESTIONNAIRES SUR LES ECHELLES DU VIVANT ET LEURS OBSERVATIONS Nombre de r ponses qui correspondent aux r ponses attendues pour les l ves de 6 me sur un total de 76 l ves 1 36 74 soit environ 50 de r ponses exactes 2 2 74 soit moins de 3 de r ponses exactes 3 11 74 soit 15 de r ponses exactes R ponses 4 14 non significatives Voir commentaires dans le texte Nombre de r ponses qui correspondent aux r ponses attendues pour les l ves de 5 me sur un total de 24 l ves R ponses 4 14 non significatives Voir commentaires dans le texte Appr hender les chelles du vivant p 33 EXPLOITATION DES QUESTIONNAIRES SUR LES ECHELLES DU VIVANT ET LEURS OBSERVATIONS Nombre de r ponses qui correspondent aux r ponses attendues pour les l ves de terminale sp cialit SVT sur un total de 24 l ves 1 24 soit 100 de bonnes r ponses 2 12 soit 16 de bonnes r ponses 3 19 bonnes r ponses sous la forme taille lentille gt taille spore seuls 4
4. l ves les chelles d espace et de temps en SVT Pour limiter le sujet je ne traiterai dans ce m moire que des chelles d espace limitant mes exemples aux seules petites chelles Ainsi dans une premi re partie je r alise un diagnostic sur la capacit pour les l ves d appr hender les dimensions des objets de petite taille en particulier ceux qui sont invisibles l il nu Je rappelle ensuite le cadre d approche la fois d un point de vu historique et p dagogique Je propose dans la troisi me partie une strat gie pour aider les l ves d passer les obstacles Appr hender les chelles du vivant p 5 1 LES OBSTACLES A LA PERCEPTION DES PETITES ECHELLES 1 1 Mes constats dans les classes D s le d but de l ann e scolaire en r alisant une activit avec les l ves sur le plan du coll ge au 1 500 sur le th me de l tude de l environnement imm diat et ses composantes j ai constat que des l ves avaient du mal se rep rer et utiliser l chelle indiqu e sur le plan Ensuite lors d une activit o il tait demand de r aliser un dessin scientifique partir de l observation l il nu d un bulbe d un bourgeon ou d une graine activit mosa que avec mutualisation en le bilan je m aper u de leurs difficult s estimer l chelle ou le grandissement qui tait demand sur la fiche m thode Voir annexe 1 J ai donc formalis les activit s suivantes Activit 1 Evaluat
5. piderme d oignon X60 Cadre de droite Sch ma de deux cellules d piderme d oignon observ es au microscope optique X60 L piderme d oignon correspond la fine pellicule transparente la surface de l caille d oignon C est la peau de l oignon Consignes 1 Observe la photo et dessine dans le cadre de droite ci dessus deux cellules d piderme d caille de bulbe d oignon ton sch ma doit tre r alis au crayon gris les traits doivent tre nets fins continus S informer et communiquer par un sch ma 1 2 Annote l gende ton dessin en utilisant le vocabulaire vu en activit et cours 4 mots cl s au total sont attendus les traits de l gende doivent tre tir s la r gle les l gendes crites horizontalement Restituer ses connaissances 1 3 Indique ce que repr sente la cellule pour le monde vivant Restituer ses connaissances 2 La cellule est l attribut le caract re commun tous les tres vivants Tous les tres vivants sont constitu s d une seule ou de plusieurs cellules 4 La taille des cellules en moyenne 10 microm tres 1 microm tre c est mille fois plus petit que 1 millim tre ne permet pas de les observer l il nu puisque l il humain ne peut distinguer les objets en dessous de 100 microm tres On dit que l il humain a une r solution de 100 microm tre Indique la dimension la largeur par exemple en microm tre de la cellule d
6. en um Longueur Appr hender les chelles du vivant p 45 Activit 3 Pour tudier le d veloppement des v g taux on mesure la longueur d une jeune plante diff rents stades de croissance sol 2 cm A l aide de l chelle d termine la longueur r elle en cm de la plante n 2 du sol l extr mit de la feuille Justifie ton calcul Longueur de la plante n 2 D tail du calcul effectu Activit 4 Afin d tudier la structure cellulaire d un rein une photographie de plusieurs cellules regroup es en acini a t r alis e avec un microscope optique A l aide du grandissement indiqu d termine la hauteur en microm tre de la cellule A et justifie ton calcul 1 microm tre 1000 millim tres Hauteur de la cellule D tail du calcul effectu Appr hender les chelles du vivant p 46
7. grandissement et chelle puisque les l ves vont les rencontrer maintes reprises Le grossissement indique la puissance de l appareil optique microscope ou loupe qui a permis de r aliser l observation et donc le dessin C est pour le microscope le produit des valeurs des grossissements indiqu s sur l objectif et l oculaire Elle permet de comparer les microscopes entre eux mais ne donne pas la taille de l objet Appr hender les chelles du vivant p 17 si cette indication est not e sur une image ou sur le dessin r alis par l l ve Le grossissement est symbolis par le signe X L agrandissement ou grandissement est le rapport entre la taille de l image ou du dessin d observation r alis par l l ve et la taille r elle de l objet voir annexe 6 doc A Il est galement symbolis par le signe X d o le risque de confusion avec le grossissement Ces deux valeurs peuvent tre tr s diff rentes pour un m me dessin et ne repr sentent pas la m me chose L chelle est une indication de la correspondance entre la taille du dessin et la taille r elle de l objet L chelle est donc une mani re diff rente de noter l agrandissement On peut repr senter une chelle de deux mani res litt rale Y centim tres repr sentent gt Z microm tres avec Y une longueur sur la photo ou le dessin et Z la longueur r elle correspondante graphique un segment sur l image ou le dessin avec sa v
8. l ves ont donn une dimension coh rente de 10 100 microm tre pour une spore 4 12 5 6 N 8 soit 30 de bonnes r ponses 8 14 9 21 10 2 11 2 12 0 13 17 14 5 Note minimum 3 14 note maximum 10 14 moyenne de la classe 6 14 Voir commentaires dans le texte Appr hender les chelles du vivant p 34 Annexe 5 Les programmes dans les textes du B O Socle commun de comp tences attendues en fin du CM2 Principaux l ments de math matiques Les l ves doivent savoir Ecrire nommer comparer et utiliser les nombres entiers les nombres d cimaux jusqu au centi me et quelques fractions simples utiliser les techniques op ratoires des quatre op rations sur les nombres entiers et d cimaux pour la division le diviseur est un nombre entier estimer l ordre de grandeur d un r sultat reconna tre d crire et nommer les figures et solides usuels utiliser la r gle l querre et le compas pour v rifier la nature de figures planes usuelles et les construire avec soin et pr cision utiliser les unit s de mesure usuelles utiliser des instruments de mesure effectuer des conversions r soudre des probl mes relevant des quatre op rations de la proportionnalit et faisant intervenir diff rents objets math matiques nombres mesures r gle de trois figures g om triques sch mas organiser des informations num riques ou g om triques justifier et a
9. mais peu se souviennent de leurs dimensions seulement 16 de bonnes r ponses Et m me si les l ves ont d j tudi s des documents montrant des bact ries vues en seconde et des virus cours d immunologie en terminale seuls 6 l ves sur 24 ont donn une bonne r ponse sur leur taille Par contre les l ves de terminale ont mieux r ussi l exercice de comparaison sur la taille d un globule rouge rapport la taille d un homme qui mesurerait 830m soit l quivalent d une graine de lentille 17 bonnes r ponses sur 24 Mais ce bon r sultat est nuancer car j ai accept une marge d erreur importante pour cette question une balle de tennis accept e qui est pourtant 20 fois plus grande qu une lentille D autre part les ordres de grandeurs des grossissements et limite de r solution du microscope optique sont connus mais pas ceux du microscope lectronique Et ce malgr l observation probable de nombreux documents photographiques pendant leur cursus Appr hender les chelles du vivant p 7 1 2 Les obstacles explicit s Les r sultats de l activit 1 montrent que les l ves ne ma trisent pas l utilisation d une chelle sur un document Il y a une r elle difficult pour un l ve de 6 faire le lien entre l image observ e et le r el ce niveau d abstraction est il accessible cet ge Certains l ves ne ma trisent pas la r gle de 3 et ne savent pas comparer ou calculer des propo
10. photo b Depuis sa d couverte le microscope a connu bien des am liorations Le microscope optique photo d permet actuellement des grossissements allant de 40 2 500 fois Dans les ann es 1950 sont apparus les premiers mod les de microscopes lectroniques photo e Ces appareils ont r volutionn le monde de l observation microscopique Ces outils sont destin s un usage scientifique ou industriel Ils permettent des grossissements allant de 3 000 1 000 000 fois 1 million Mais le microscope optique reste l outil de r f rence en mati re d enseignement d examens de laboratoire et bien sur le compagnon id al de l amateur curieux et clair Appr hender les chelles du vivant p 29 Exploitation de travail de recherche documentaire sur l Histoire des Sciences en 6 Dans ce travail seule la question qui permet le diagnostic sur la bonne formulation du probl me par les l ves est analys e La question Explique pourquoi les premi res cellules ne furent d couvertes qu la fin du 17e R ponse attendue Sans le microscope dont la mise au point date de la fin du XVIIe si cle l Homme dont l il ne per oit pas les objets plus petits que 1 10 mm ne pouvait pas voir les cellules D pouillement des r ponses nombre total de r ponses 66 Nombre de r ponses consid r es correctes ou consid r es exactes m me si la phrase n est pas r dig e en bon fran ais 35 soit 53
11. ann e les termes grossissement et grandissement 3 4 Motiver les l ves par des images frappantes Travailler sur des images attrayantes spectaculaires permet de motiver les l ves de susciter la curiosit et de donner du sens Il faut donc op rer un choix judicieux des photos support d activit Des documents bien choisis sur un th me donn peuvent servir de situation d clenchante apr s avoir rappel la probl matique les l ves doivent faire mention des chelles d s le d but de l analyse des documents Photo extraite de l article Microscopiques beaut s Pour la science janvier 2009 Cette diatom e fossile Actinoptycus heliopelta Grunow vivait dans la mer il y a 20 millions d ann es L algue unicellulaire se prot geait dans une coquille de verre de la silice hydrat e de 0 14 mm de diam tre Stephen Nagy qui re u le 3 me prix du concours de photographies en microscopie optique organis par Olympus America inc a mis en vidence sa sym trie en r unissant 5 photographies prises avec des focales diff rentes Les couleurs refl tent l paisseur du squelette Appr hender les chelles du vivant p 19 Conclusion Si les programmes prennent en compte les notions d chelle de fa on continue et diversifi e dans les cursus travers de nombreuses situations et exemples concrets dans le vivant les l ves de terminale comme le montre mon questionnaire appr hendent encore m
12. dimensions jouer sur la mise au point du microscope permet pourtant d observer une cellule dans son paisseur En r sum les l ves Ne comprennent pas la signification du mode de repr sentation de l chelle Ne ma trisent pas les unit s Ne savent pas utiliser les bonnes op rations math matiques Ne s approprient pas la taille des petits objets pas toujours exprim e m me pour des l ves de terminale option sp cialit SVT Appr hender les chelles du vivant p 8 2 UN CADRE POUR LA PERCEPTION DES PETITES ECHELLES 2 1 Rappel historique d couvertes du microscope et de la cellule naissance d une th orie C est travers nos sens que nous percevons le monde la vision jouant un r le essentiel Mais si l il est un organe aux possibilit s extraordinaires ces derni res sont limit es pour distinguer le petit comme le lointain C est le scientifique Ibn Al Haytam 965 1039 qui nous a laiss le premier trait d optique datant de l ann e 1011 Nous pourrons donc bient t f ter le milli me anniversaire d un ouvrage dans lequel son auteur d crit les propri t s de la loupe qui permet d agrandir les objets pour mieux les observer avec des lentilles Ces travaux ont conduit plus tard l invention du microscope Bien plus tard Leeuwenhoek 1632 1723 drapier Hollandais m me s il n en est pas reconnu comme l inventeur construisait des microscopes avec lesquels il faisait de nomb
13. la biologie Gordon Rattray Taylor Hachette 1963 De l in galit scolaire J P Terrail La dispute 2002 La pluridisciplinarit dans les enseignements scientifiques 1 tome Histoire des sciences SCEREN CRDP 2005 Infiniment petit des particules aux cellules les myst res de l invisible Sciences et Avenir Hors s rie Avril mai 2010 SITES INTERNET Institutionnels Les pages consacr es la d couverte et l tude la cellule microscopie photonique lectronique et champ de force atomique sur le site du FPS parmi 14 dossiers th matiques http www cnrs fr cw dossiers doscel decouv norm global htm Histoire de l Univers de la Terre de la Vie rapport e une ann e P Thomas 2001 Site internet http planet terre ens lyon fr planetterre XML db planetterre metadata LOM chronologie terre xml Appr hender les chelles du vivant p 21 Echelles grossissements agrandissements G Furelaud htip www snv jussieu fr vie documents echelles echelles htm Histoire du microscope et de la microscopie Sc ren CNDP http www cndp fr Themadoc micro Rep_hist htm Etude d un instrument d optique TP8 Microscope optique 2009 2010 http www phytem ens cachan fr telechargement TP_ModuleL1 08 20microscope 20optique pdf Non institutionnels Site pr sentant une collection d instruments scientifiques anciens appartenant principalement au domaine de l Enseignement n
14. observations Voir annexe 4 Bilan de l activit 3 en 6 et 5 Seule l analyse des 3 premi res questions est effectu e pour ces niveaux en effet les l ves de ces classes n ont re u aucune formation relative aux items 4 14 Avant de proc der ce questionnaire les l ves ont r alis une activit sur les lentilles avec la consigne de faire pousser les graines la maison et mesurer la croissance des plants une s ance de TP sur la colonisation des milieux par les v g taux qui ne produisent pas de graine observation de spores de foug re au microscope et r alisation d un sch ma en respectant une fiche m thode Les r sultats montrent que seul un l ve sur deux a pu estimer la taille d une lentille et 15 seulement sont capables de comparer 2 objets dont l un est visible l il nu et l autre a t observ au microscope Dans certains cas les estimations des dimensions sont exactes mais leur comparaison sont erron es Bilan de l activit 3 en terminale Sp cialit SVT Alors que de nombreuses observations ont t r alis es durant toute la scolarit comme l attestent les instructions des textes officiels beaucoup d l ves n ont pas su r pondre la question 7 sur la taille moyenne d une cellule seulement 30 de bonnes r ponses De m me les l ves de terminale observent des spores Sordaria comme exemple de cycle haplo de et des cellules animales ou v g tales au microscope
15. oignon repr sent e sur la photo aide toi de l chelle indiqu e et indique combien de cellules d oignon doivent tre juxtapos es pour qu on puisse les voir l il nu 1 a Sur la photo on peut observer qu une cellule d oignon fait une largeur d environ 0 03mm c est le barreau d chelle qui l indique ce qui repr sente 0 03x1000 microm tres 30 microm tres b Si on juxtapose 3 cellules en largeur on obtient 3x30 microm tres 90 microm tres c est encore invisible l il nu qui ne peut voir qu partir de 100microm tres comme cela est pr cis dans le texte Il faut donc 4 cellules soit 4x30 120 microm tres pour que l ensemble soit visible l il nu Appr hender les chelles du vivant p 26 Analyse statistique des r sultats 79 copies sur 3 classes de 6 me Raisonnement incorrect et r sultat incoh rent non autocritiqu 56 79 soit 71 Raisonnement correct mais r ponse inexacte 4 79 soit 5 Raisonnement et r sultat correct 1 79 soit moins de 1 Pas de r ponse 18 79 soit 23 EXEMPLES DE PRODUCTIONS D ELVES R ponse inexacte le calcul n est pas r alis l chelle indiqu e sur la photo n est pas utilis e NY PACA L F Te AL y NIN Au ON anka i ENE E EET ul A7 A E E 4 EE AR Mr AE YY 1 NE LL no Yy JL A EMA ANN Arah p nl tan cells 4 LA GA 3 pov yaen fo NA NH 5 AN 9 Ta m MM MU E QUE NS o z COKIN nav
16. t mises au point permettant l observation de structures de plus en plus fines leur localisation dans la cellule Actuellement gr ce l utilisation des anticorps et des toxines on peut d tecter la position d une mol cule pr cise et dans une certaine mesure la doser ou suivre son volution temporelle Mais la plupart de ces techniques sont l tales pour la cellule et cette derni re survit rarement la coloration Le microscope contraste de phase d velopp dans les ann es 1930 permet par contre d observer des cellules vivantes en utilisant les interf rences des ondes lumineuses faisant appara tre des diff rences d intensit le contraste En 1931 Ruska 1906 1988 physicien Allemand et ses coll gues construisent le premier microscope lectronique ce qui lui vaudra le prix Nobel de physique en 1986 Cet appareil a r volutionn le monde de l observation microscopique permettant l essor avec les progr s en physiologie de la biologie cellulaire 2 2 L approche au travers des programmes d clin s dans les B O Dans les textes officiels les comp tences faisant r f rence la ma trise des chelles spatiales sont nombreuses Elles sont en particulier int gr es au socle commun du coll ge Les connaissances et capacit s attendues pour chaque niveau de scolarit sont indiqu es dans l annexe 5 J ai extrait de cette annexe et report ci dessous les connaissances et capacit s relevant des classes de 6 po
17. 0 000000001 m Extrait de Magnard 6 me S 2005 Une autre fa on de repr senter les chelles en montrant l instrument utilis pour r aliser l observation Noter que les images obtenues en microscopie lectronique peuvent tre color es mais que l indication fausses couleurs n est pas toujours pr sente ce qui est source d interpr tations erron es Appr hender les chelles du vivant p 15 C Finalement des sch mas bilan m me s ils sont bien utiles peuvent induire en erreur sur le rapport de taille des diff rents objets si l on ne souligne pas le probl me voir l exemple ci dessous LA SYNTH SE DES PROT INES DANS UNE CELLULE TRANSFERT DE L INFORMATION cytoplasme SYNTH SE DE MATI RE SP CIFIQUE TRADUCTION m Extrait de Bordas 1 re S 2001 Cellule et mol cule sont repr sent es la m me chelle car c est l aspect fonctionnel qui est soulign ici mais l diteur ne l explicite pas Appr hender les chelles du vivant p 16 3 LA STRATEGIE POUR LEVER LES OBSTACLES La taille d un objet tr s petit n a pas toujours de sens pour un l ve et ne suscite donc pas son int r t voici quelques pistes pour y rem dier 3 1 L l ve doit s approprier les outils Pour permettre aux l ves de s approprier ces instruments il faut qu ils utilisent le plus souvent possible les loupes binoculaires et les microscopes Dans un choix d activit l
18. 2 ANNEXES Appr hender les chelles du vivant p 23 Annexe 1 Fiche m thode R aliser un dessin d observation Le dessin d observation permet de repr senter fid lement une observation faite l il nu au microscope ou la loupe binoculaire Il permet de conserver une trace de l observation C est aussi un moyen de communiquer 1 Phase de pr paration du dessin mise en page Utiliser une feuille blanche un crayon papier bien taill et une gomme propre ne jamais utiliser de stylo ni de couleur Tracer au crayon une marge de 4 5cm de chaque c t de la feuille il y a donc 4 marges tracer Noter le nom pr nom et classe en haut gauche de la feuille la date droite 2 R aliser le dessin R aliser le dessin au centre de la feuille avec un trait net fin et continu tout en respectant la forme et les proportions de l objet dessiner Si un l ment existe en de nombreux exemplaires n en repr senter que quelques uns 3 Les annotations Tracer au crayon et la r gle des traits horizontaux nets et continus montrant pr cis ment l l ment nommer et s arr tant au niveau de la marge droite ou gauche Les traits ne doivent pas se croiser et l extr mit du trait doit toucher le d tail nommer Les annotations doivent tre pr cises align es les unes au dessous des autres sans faute d orthographe 4 Ecrire le titre et le grossissement crire le titre du
19. Capacit s Effectuer un geste technique en r alisant une observation microscopique de cellules reproductrices et ou d une f condation Appr hender les chelles du vivant p 36 Relations au sein de organisme La communication nerveuse Connaissances La commande du mouvement est assur e par le syst me nerveux qui met en relation les organes sensoriels et les muscles Capacit s Effectuer un geste technique en r alisant une observation microscopique de neurones Dans le programme de la classe de 3 me Diversit et unit des tres humains Connaissances Les chromosomes pr sents dans le noyau sont le support de l information g n tique Capacit s Effectuer un geste technique en r alisant une observation microscopique au fort grossissement de cellules montrant des chromosomes Observer recenser des informations pour identifier les tapes de la division d une cellule Risque infectieux et protection de l organisme Connaissances Possibilit de p n tration de micro organismes bact ries et virus issus de son environnement Capacit s Suivre un protocole de r alisation d une pr paration microscopique de microorganismes non pathog nes Effectuer un geste technique en observant au microscope quelques microorganismes des cellules sanguines Dans le programme de la classe de seconde nouveau programme La Terre dans l Univers la vie et l volution du vivant une plan te habit e Connaissance
20. En 53 z iA R ponse inexacte confusion dans les unit s TAN b dur ne pre semtel Mn OA OM de h ar aa ki 1 J N O E Can A W A Sr es ni CR een YA i Si ZF l KLAX 4 1 DAS LE e XX es Dei P mit de EX Kurt VA AT E2 MC Lomme y 9 Xe E R ponse inexacte sur la dimension mais raisonnement correct pour le calcul du nombre de cellules mais bas sur l information extraite du texte et pas sur le mesure Appr hender les chelles du vivant p 27 000 00 Micro E x LA OS pue de vente la OK mm 2 003 GOO w 0 0 M m zO eco R ponse inexacte raisonnement incorrect e e ls r na ay Rob au mt dupe ont Zommen ro r AA K 1 ge On o 09 LV 7 Bu Le Ars TS O Qi u ume K da D000 mirent UA ui al NS nr RPN nf A ge map 8090 Rx Zoe w e CM mn vie UN REX peut P vin um cellule f Sey Q ia i Oe MLCI e Vus ba se Q 3 Uoc S V s SN 00 0 ANA TP HAE A UAXGY o OCO AC omEtre i R ponse inexacte raisonnement incorrect ordre de grandeur du r sultat non analys e f r il MEAA LI Y Gr s f Z cf 5 f oj f TM AV LY ENL Le AQ 4 1 AT i A ii gA 71 Pi eo g Li Y N ST Un R ponse exacte mais non justifi e pour la 1 partie de la question dimension raisonnement et calcul correct pour la 2 partie mais le raisonnement porte sur la dimension moyenne indiqu e dans le texte pour un
21. I U F M JAUBERT Christian Acad mie de Montpellier Site de Montpellier LA DIFFICULTE POUR LES ELEVES D APPREHENDER LES ECHELLES D ESPACE EN SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE R aliser une pr paration microscopique et ou utiliser des logiciels et ou organiser et recenser des informations pour distinguer les chelles atome mol cule cellule organe organisme et les ordres de grandeur associ s Extrait du programme de SVT en classe de seconde Th me 1 La Terre dans l Univers la vie et l volution du vivant une plan te habit e La nature du vivant B O sp cial n 4 du 29 04 2010 Contexte du m moire Sciences de la Vie et de la Terre De la sixi me la terminale Coll ge Ambrussum LUNEL Lyc e Victor Hugo Castelnau le Lez Tuteur du m moire Jacques Fossati Assesseur Val rie De La For t Ann e universitaire 2009 2010 Appr hender les chelles du vivant p 1 RESUME L appr hension des chelles d espace est une difficult r currente des l ves de coll ge et lyc e en Sciences de la Vie et de la Terre Comment faire pour y rem dier J ai abord ce probl me travers l tude des petites chelles spatiales Ma d marche a consist mettre en vidence de fa on concr te les probl mes rencontr s par les apprenants au travers d activit s diagnostiques rechercher ensuite les causes de ces difficult s en abordant en premier ses aspects historiques et techniques J ai
22. TP et la question ou le probl me pos auquel vous devez r pondre crire le titre du dessin il doit tre pr cis soulign au crayon en dessous du dessin Pr ciser l instrument d observation il nu loupe binoculaire microscope optique Pr ciser ventuellement la technique employ e pour l observation coloration Si vous observez une section pr cisez coupe transversale ou coupe longitudinale Pr ciser le grossissement grossissement de l oculaire x grossissement de l objectif ou l chelle Nom TITRE DU TP Pr nom hi Classe Grossisement Titre du dessin icon lt gt 4 5cm 5 Ecrire au dos du dessin la r ponse au probl me pos obtenue gr ce vos observations Appr hender les chelles du vivant p 24 Annexe 2 EVALUATION DIAGNOSTIQUE en classe de 6 Le diagnostique ne porte que sur la question 4 Indiquer la dimension de la cellule Contr le n 6 La notion de cellule Bar me not sur 5 points Photographie de gauche Observation au microscope optique de cellules d piderme d oignon X60 Cadre de droite Sch ma de deux cellules d piderme d oignon observ es au microscope optique X60 L piderme d oignon correspond la fine pellicule transparente la surface de l caille d oignon C est la peau de l oignon Consignes 1 Observe la photo et dessine dans le cadre de droite ci dessus deux cell
23. a troisi me concerne la connaissance des principaux l ments des math matiques et de la ma trise d une culture scientifique J ai extrait celles qui sont en rapport direct avec notre tude En math matique les l ves doivent conna tre Les nombres d cimaux les nombres relatifs les fractions les puissances ordonner comparer Les principales grandeurs unit s de mesure formules calculs et conversions Les mesures l aide d instruments en prenant en compte l incertitude li e au mesurage Et ils doivent tre capables de reconna tre les situations relevant de la proportionnalit et les traiter Dans le domaine de la culture scientifique il est rappel que les sciences exp rimentales et les technologies ont pour objectif de comprendre et de d crire le monde r el les l ves doivent donc Pour ce qui est des connaissances Savoir que l Univers est structur du niveau microscopique atomes mol cules cellules du vivant au niveau macroscopique plan tes toiles galaxies Conna tre les caract ristiques du vivant unit d organisation cellule et biodiversit Pour ce qui est des capacit s Pratiquer une d marche scientifique travers l observation et le questionnement et partir de l pour formuler une hypoth se et la valider Manipuler et exp rimenter D velopper des habilet s manuelles tre familiaris avec certains gestes techniques Exprimer et exploiter les r sult
24. al ces notions En effet elles demandent un niveau d abstraction qui n est pas imm diat et sont par ailleurs parasit es par des repr sentations qui peuvent induire des conceptions inexactes sur les ordres de grandeur Par ailleurs ces chelles de l infiniment petit sont fr quemment reprises dans les m dias parce qu elles suscitent la curiosit et sont productrices d images spectaculaires ce qui peut tre source de motivation d un c t mais qui peut aussi tre source d erreur car elles ne sont pas toujours trait es avec suffisamment de rigueur ou que leurs auteurs ne s entourent pas de toutes les pr cautions permettant d viter au public de se faire des repr sentations erron es leur d charge les diffuseurs leur imposent des contraintes en terme de format de temps et d espace de publication qu ils sont oblig s d accepter La formation sur ces notions d chelles demande en effet une grande rigueur et une attention permanente dans un cadre transdisciplinaire et sur lequel il faudrait intensifier les actions Cependant la lecture des nouveaux programmes de sciences en seconde cette tendance semble tre bien prise en compte Plus g n ralement j ai souvent t frapp en assistant des conf rences de g ologie ou d astronomie ouvertes au public par le fait que les orateurs commen aient souvent leur expos pour marquer les esprits en g ologie par donner aux auditeurs une chelle de temps de l histoire de l univer
25. aleur num rique et son unit Enfin il faut que sur un dessin rendu en fin de s ance ou de travail finalis la maison apparaisse l chelle quitte la donner aux l ves si sa d termination n est pas r alisable pendant le temps de la s ance Au final il faut imp rativement que les activit s pour trouver la taille r elle d un objet partir 1 de son observation au microscope et 2 de son tude sur document photographique soient r alis es en cours de formation voir activit r aliser sur 2 S ances au coll ge d tail dans l annexe 8 3 3 Travailler en interdisciplinarit Il peut tre int ressant au coll ge de pr parer en lien avec les professeurs de math matiques des exercices faisant intervenir les capacit s des l ves Mesurer des objets r aliser des exercices avec chelle indiqu e par un segment Comparer ordonner Travailler sur la proportionnalit en mod lisant voir questionnaire annexe 2 questions 13 et 14 Les activit s r alis es en cours de math matiques pourraient plus fr quemment s appuyer sur des exemples concrets en SVT Le professeur de SVT doit travailler sur les notions d chelles de plan avec les professeurs de technologie et histoire g ographie Appr hender les chelles du vivant p 18 Au lyc e le professeur de SVT doit pr parer ses progressions en liaison avec le professeur de physique au moment des cours d optique pour d finir t t dans l
26. ats d une mesure ou d une recherche et pour cela utiliser les langages scientifiques l crit Appr hender les chelles du vivant p 35 Ma triser les principales unit s de mesure et savoir les associer aux grandeurs correspondantes Les attitudes suivantes doivent tre d velopp es Le sens de l observation La curiosit pour la d couverte des causes des ph nom nes naturels l imagination raisonn e l ouverture d esprit L esprit critique L int r t pour les progr s scientifiques et techniques L observation des r gles l mentaires de s curit Dans le programme de la classe de sixi me Caract ristiques de l environnement proche et r partition des tres vivants Connaissances On distingue dans notre environnement des manifestations de l activit humaine Partie transversale diversit parent s et unit des tres vivants Connaissances Au niveau microscopique les organismes vivants sont constitu s de cellules La cellule est l unit d organisation des tres vivants Certains organismes vivants sont constitu s d une seule cellule d autres sont form s d un nombre souvent tr s important de cellules La cellule poss de un noyau une membrane du cytoplasme Capacit s Effectuer un geste technique en r alisant une pr paration microscopique de cellules animales et ou v g tales et ou d un micro organisme unicellulaire Faire en respectant les conventions un dessin scientifiq
27. c une loupe UNE MOL CULE DE GLUCOSE 10 m tre a f 0 000 000 001 m A l il nu j P vec un t escope ou un saree 1 nanom tre ON ATOME 10 10 m tre 0 000 000 000 1m Extrait de Nathan 5 2006 Document sur double page de couverture du manuel de l l ve Document grande valeur p dagogique car toutes les chelles d espace figurent y compris les moyens pour les observer Appr hender les chelles du vivant p 43 Annexe 8 1 S ance Utilisation du microscope Evaluation de la taille des cellules par comparaison avec des objets de dimension connue Probl me Comment valuer la taille d une cellule en l observant au microscope Objectifs Evaluer la taille d une cellule d piderme d caille de bulbe d oignon par comparaison avec des fils de diam tre connu donner un ordre de grandeur de la taille par encadrement entre 2 valeurs Comparer son estimation avec le r sultat obtenu en utilisant une lame gradu e Mat riel Oignon lames lamelles Une s rie de fils de section connue 120 pm 100 um 80 um 60 mm 40 pm fix s l aide d un ruban adh sif sur une lame standard Une lame gradu e au 1 100 mm Premi re tape Observer la lame supportant les fils calibr s au microscope R aliser puis observer la pr paration microscopique de la cellule Comparer les deux lames Trouver le fil imm diatement plus gros et le fil imm diatement plus petit que la cellule puis donner un
28. e cellule et non sur l utilisation du segment figurant sur l image Appr hender les chelles du vivant p 28 Annexe 3 Travail de recherche documentaire sur l Histoire des Sciences en 6 7 Travail de recherche documentaire sur l Histoire des Sciences en SVT Partie 3 Activit 5 Le microscope et l histoire de la d couverte des cellules Lis le texte ci dessous intitul l Histoire de la microscopie R alise une frise chronologique sur les tapes de la d couverte du microscope en indiquant a les diff rentes d couvertes dans l ordre chronologique 2 5 pts b leurs dates 2 pts c les scientifiques qui ont fait ces d couvertes 1 5 pts Indique l origine du mot cellule 1 pt Explique pourquoi les premi res cellules ne furent d couvertes qu la fin du XVIIe si cle 1 pt Colle cette fiche de consignes sur ta copie 0 5 pt Fais attention la pr sentation de ta copie et relis la pour corriger tes fautes ventuelles 0 5 pt Fais signer ce travail par tes parents 1 pt L il permet d observer des objets de dimensions vari es mais quand leur taille est tr s petite en dessous du 1 10 de mm ils ne sont plus visibles D autre part la vue peut faiblir ou pr senter des d fauts la naissance ce qui emp che de voir correctement mais tr s t t l Homme chercha divers moyens pour rem dier aux troubles de la vue Ainsi d s le XIe si cle la loupe est invent e elle permet d
29. en de fois plus petite qu un m tre 10 fois 100 fois 1000 fois etc 10 000 fois plus petite pour une cellule de 10 um par exemple 5 Quelle est la taille moyenne d un virus 100 nm ou 0 1 um soit 107m 6 Quelle est la taille moyenne d une bact rie 1 um soit 107 m 7 Quelle est la taille moyenne d une cellule animale ou v g tale 10 100 um 8 Quelle est la plus petite dimension observable l il nu limite de r solution 1 10 mm 9 Quel est le grossissement maximum d un microscope optique 2000 X 10 Quelle est la limite de r solution d un microscope optique 0 5 um 11 Quel est le grossissement maximum d un microscope lectronique 2 000 000 X 12 Quelle est la limite de r solution d un microscope lectronique 0 2 nm 13 La tour la plus haute du monde vient d tre inaugur e Duba elle mesure 828 m si c tait la taille d un homme quelle taille aurait par comparaison un de ses globules rouges Taille d un globule rouge 7 um taille d un homme 1 75 m rapport entre les deux 250 000 Donc la taille d un globule l chelle d un homme qui mesurerait 828 m serait de 828 m 250 000 0 003 m soit 3 mm soit la taille d une graine de lentille 14 Si une cellule d piderme de bulbe d oignon tait repr sent e par un mod le une maquette de la taille par exemple d un sucre de 2cm de longueur quelle dimension aurait par comparaison la maquette du bulbe d oignon en entier
30. en mitose R alisation de pr parations et ou observation de cellules v g tales Mise en vidence de la turgescence cellulaire Obtention et ou observation de protoplastes La r gulation de la glyc mie et les ph notypes diab tiques Notions et contenus L hom ostat glyc mique Les cellules aet p du pancr as endocrine sont des capteurs de la glyc mie Les ph notypes diab tiques Activit s envisageables Observation de coupes de pancr as d animaux sains et diab tiques La part du g notype et la part de l exp rience individuelle dans le fonctionnement du syst me nerveux Notions et contenus Les propri t s int gratrices des centres nerveux et le fonctionnement des neurones Les circuits neuroniques m dullaires mobilis s au cours du r flexe myotatique Les messages nerveux Caract ristiques du fonctionnement des synapses Activit s envisageables tude des supports anatomiques et cytologiques intervenant dans la r alisation du r flexe tude de documents relatifs l organisation de synapses et de la transmission synaptique Dans le programme de la classe de terminale S dont sp cialit Enseignement obligatoire Stabilit et variabilit des g nomes et volution Notions et contenus M iose et f condation participent la stabilit de l esp ce M iose et f condation sont l origine du brassage g n tique Activit s envisageables tude de deux cycles biologiques celui d un mammif re et ce
31. enseignant doit donc les pr f rer aux documents Cela n est videmment pas possible pour le microscope lectronique Dans ce dernier cas une sensibilisation des l ves par une visite dans un laboratoire pour voir de pr s un microscope lectronique peut tre envisag e des microscopes lectroniques sont d crits dans certains manuels mais en fin d ouvrage et les l ves ne vont pas souvent y chercher des information si l activit n est pas impos e par le professeur Il faut galement faire d couvrir aux l ves l int r t de travailler observer dans l paisseur d une lame en jouant sur la mise au point exploration en 3 dimensions En effet les l ves ne per oivent pas toujours que l objet m me s il est coinc entre lame et lamelle a une certaine paisseur et que des structures peuvent tre visibles ou non selon la tranche examin e Enfin si possible les enseignants doivent utiliser des lames gradu es des microm tres oculaires ou d faut faire comparer aux l ves les objets observ s des fils de diam tre connu ou un cheveu dont le diam tre moyen est proche de 100 microns 3 2 Insister sur les d finitions et les m thodes Deux modes de repr sentation de l chelle sont fr quemment utilis s Le segment ou le signe X Une formation l utilisation de ces 2 repr sentations est donc n cessaire Il faut galement bien d finir et t t dans la scolarit les termes grossissement
32. ensuite examin les contenus et directives p dagogiques dans les programmes officiels de l Education Nationale Enfin j ai envisag des solutions mettre en uvre pour am liorer la perception par les l ves des objets trop petits pour tre vus dans leur juste dimension SUMMERY Comprehending space scales is a recurring problem for secondary education pupils in the science class How can we solve the problem I considered the issue through the study of small space scales What I decided to do is to look for the causes of the problem dealing first with historical and technical aspects Then I thoroughly studied the contents of the educational guidelines in the official curricula of the Ministry of Education Afterwards and in a more practical way I highlighted the problems faced by learners through diagnostic activities and I eventually imagined solutions to be implemented to improve the pupils perception of objects which were too small to be seen in their right dimensions MOTS CLES Par ordre alphab tique Cellule chelle grandissement grossissement microscope obstacle pouvoir de r solution unit de mesure Appr hender les chelles du vivant p 2 COMMENTAIRES Appr hender les chelles du vivant p 3 SOMMAIRE INTRODUCTION 1 LES OBSTACLES A LA PERCEPTION DES PETITES ECHELLES 1 1 Mes constats dans les classes 1 2 Les obstacles explicit s 2 UN CADRE POUR LA PERCEPTION DES PETITES ECHELLES
33. es grossissements allant jusqu 200 fois la taille d un objet A la fin du XIIIe si cle Salvino Armati physicien Italien 1245 1317 construit des verres d un type nouveau chacun de ces verres grossit les objets La premi re paire de lunettes est n e Vers 1677 un fabriquant de draps hollandais Van Leeuwenhoeck 1623 1723 fabrique un appareil une seule lentille qui lui permet de regarder ses toffes de pr s pour en v rifier la qualit et aussi de compter les fils Ses r sultats l encouragent regarder de pr s tout ce qui l entoure une goutte de bi re une goutte de sang Les tres vivants semblent constitu s de petits globules Le microscope est n microscope de Van Leeuwenhoeck photo a Difficile de revendiquer la paternit de cette invention car plusieurs mod les de microscopes sont apparus la m me p riode En 1665 Robert Hooke naturaliste Anglais 1635 1703 en superposant 2 loupes observe des poux des v g taux notamment une fine tranche de li ge Il trouve alors une explication la l g ret de ce mat riau il est constitu de millions de logettes remplies d air qu il nomme cellules du latin cellula petite chambre En fait il n observe pas vraiment des cellules car le li ge est fait de cellules mortes mais la paroi rigide qui les entoure vue activit 4 cependant l id e de cellule est n e microscope de R Hooke photo c et observation du li ge de R Hooke
34. illaires Extrait de Bordas 5 2006 Dans ce document c est un grossissement qui figure mais l diteur ne le pr cise pas Le traitement fausses couleurs de l image c n est pas indiqu Appr hender les chelles du vivant p 41 Observation au faible grossissement Extrait de Bordas 6 2009 Dans ce document la valeur x2000 est un grandissement mais l diteur ne le pr cise pas Il est cependant not que l observation est r alis e au faible grossissement apr s mesure sur le livre taille d une cellule sur la photo 2cm gt taille r elle 10 um Appr hender les chelles du vivant p 42 Annexe 7 Documents tir s de manuels chelle des mesures L UNIVERS 3 L ORGANISME S 600000 000 LE COLL GE UN MARRONIER HUMAIN lea 1 108 m tres LE DIAM TRE 100000000m DE L INTESTIN GR LE 10 m tres L GER j 380000 AUS LA LONGUEUR LA LARGEUR DE PARIS DNS LA DISTANCE TERRE LUNI L ESTOMAC nE LE DIAM TRE DE LA PLAN TE TERRE LA LONGUEUR LES AIGUILLES D ARVES DE LA FRANCE LES BACT RIES s ace z y LES VILLOSIT S DE L INTESTIN z 3 TE 0 20 gt GR LE s j s i r F UN GL Lee A u rs SR PA x a UN ENSEMBLE DE CELLULES aao UN TISSU Des moyens d observation E Avec un microscope lectronique 10 m tre 0 000 000 01 m UNE MOL CULE DE PROT INE E vec un microscope optique Ave
35. ion des tres vivants Certains organismes vivants sont constitu s d une seule cellule d autres sont form s d un nombre souvent tr s important de cellules La cellule poss de un noyau une membrane du cytoplasme Capacit s Effectuer un geste technique en r alisant une pr paration microscopique de cellules animales et ou v g tales et ou d un micro organisme unicellulaire Faire en respectant les conventions un dessin scientifique traduisant les observations r alis es B2i Domaine 1 s approprier un environnement informatique de travail Domaine 3 cr er produire traiter exploiter des donn es Observer la loupe ou au microscope avec r alisation d images num riques En conclusion au cours de leur scolarit coll ge et au lyc e les l ves r alisent eux m me et observent de nombreuses pr parations microscopiques ou ont souvent eu exploiter des documents sur lesquels figurent des images obtenues par l interm diaire d un microscope optique ou lectronique 2 3 L approche p dagogique dans les manuels scolaires A De nombreuses images d objets microscopiques sont propos es dans les manuels Les professeurs les utilisent fr quemment mais selon les cas Leur taille nest pas pr cis e ou bien de mani re partielle annexe 6 documents 1 2 et 4 Appr hender les chelles du vivant p 11 Leur taille est indiqu e par un grossissement annexe 6 doc B Leur taille est indiqu e par un g
36. ion sur la notion de cellule Voir annexe 2 en 6 La question 4 non not e est une valuation diagnostique Les l ves doivent indiquer la taille r elle d une cellule partir d une photo comportant une chelle sous forme d un barreau de dimension connue plac dans l image Ils doivent ensuite indiquer le nombre minimum de cellules qui doivent tre juxtapos es pour que l ensemble soit visible l il nu Avec l aide plus petite dimension visible l il nu 100 microm tres Bilan les l ves n ont pas su indiquer la dimension r elle de l objet observ Une seule r ponse exacte sur 79 Activit 2 activit sur le microscope et l histoire de la d couverte des cellules Voir annexe 3 Bilan de l exploitation des travaux d l ves Une majorit d l ve a correctement r pondu L utilit du microscope est comprise Certains l ves n ont pas r pondu cette question les questions ne sont pas lues jusqu au bout ou les consignes ne sont pas respect es ce qui est un autre probl me Certains l ves n ont pas bien per u l utilit d un microscope pour observer des objets non visibles l il nu Ou bien le sens de la question n est pas compris Dans certains cas la formulation de la r ponse est tr s mal exprim e ce qui traduit un flou dans la perception du probl me par l l ve Appr hender les chelles du vivant p 6 Activit 3 Questionnaire sur Les chelles du vivant et leurs
37. iter des informations effectuer une synth se construire ventuellement un mod le formuler une hypoth se et d velopper l esprit critique Toute activit pratique permet la mise en uvre des techniques dans une d marche d investigation Appr hender les chelles du vivant p 37 Th me g n ral Des ph notypes diff rents niveaux d organisation du vivant Du g notype au ph notype relations avec l environnement Notions et contenus Le ph notype peut se d finir diff rentes chelles de l organisme la mol cule Activit s envisageables Observation microscopique de cellules sanguines La morphog n se v g tale et l tablissement du ph notype Notions et contenus La morphog n se associe la division et la croissance cellulaire au niveau de territoires sp cialis s La mitose est localis e dans les m rist mes Elle permet de produire des cellules qui vont ensuite se diff rencier et participer la croissance et la structuration de l organisme feuilles tiges racines des cellules qui restent indiff renci es et qui vont leur tour constituer des m rist mes apical ou axillaire La mitose est un processus commun aux cellules eucaryotes Dans la tige la croissance cellulaire est contr l e par une hormone l auxine Activit s envisageables Observation microscopique de m rist mes R alisation de pr parations et ou observation microscopique de cellules
38. l chelle n est pas n est pas pr cis e Ora 2 e apsorp ion aci tem EJ Les vaisseaux sanguins de l intestin gr le d une souris Des chiffres surprenants ne Un intestin gr le de souris mesure environ 30 cm de alors que la souris elle m me mesure moins de 10 cm Un intestin gr le humain mesure environ 6 m de long En comptabilisant tous les replis de la paroi interne de l intestin gr le humain on estime que la surface couverte varie entre 200 et 400 m soit quatre dix fois la surface de la salle de SVT Section de l intestin gr le montrant de nombreux replis villosit s microscope lectronique Vaisseaux sanguins Sang riche en nutriments Sang pauvre en nutriments _ fc Villosit s de la paroi de l intestin gr le microscope Sch ma d interpr tation d une villosit optique Extrait de Nathan 5 2006 Dans ces documents l chelle n est que partiellement pr cis e images mais pas le sch ma Appr hender les chelles du vivant p 40 4 a Cellules de pancr as humain MP b Cellules de pancr as humain maintenues en culture MET Extrait de Belin Seconde 2000 Dans ce document l chelle n est pr cis e que pour l image du microscope optique L image du obtenue avec le microscope lectronique n a pas eu droit au m me statut Au niveau des alv oles un contact troit entre l air et le sang capillaires sanguins des cap
39. la taille moyenne d une bact rie 7 Quelle est la taille moyenne d une cellule animale ou v g tale 8 Quelle est la plus petite dimension observable l il nu limite de r solution 9 Quel est le grossissement maximum d un microscope optique 10 Quelle est la limite de r solution d un microscope optique 11 Quel est le grossissement maximum d un microscope lectronique 12 Quelle est la limite de r solution d un microscope lectronique 13 La tour la plus haute du monde vient d tre inaugur e Duba elle mesure 828 m si c tait la taille d un homme quelle taille aurait par comparaison un de ses globules rouges 14 Si une cellule d piderme de bulbe d oignon tait repr sent e par un mod le une maquette de la taille par exemple d un sucre de 2cm de longueur quelle dimension aurait par comparaison la maquette du bulbe d oignon en entier Appr hender les chelles du vivant p 31 REPONSES ATTENDUES AU QUESTIONNAIRE SUR LES ECHELLES DU VIVANT ET LEURS OBSERVATIONS 1 Quelle est la taille d une graine de lentille Diam tre 5 mm 2 Quelle est la taille d une spore de foug re Diam tre 0 05 mm soit 50 um d apr s les photos des livres Hachette 6 2005 page 56 ou Hatier 6 page 51 3 Comparer la taille d une graine de lentille et d une spore de foug re Une graine de lentille est 100 fois plus grande qu une spore de foug re 4 Une cellule est combi
40. lui d un champignon ascomyc te Appr hender les chelles du vivant p 38 Comparaison de caryotypes de cellules haplo des et diplo des Observations cytologiques d v nements de m iose et de f condation Interpr tation de caryotypes pr sentant une trisomie libre du chromosome 21 R alisation observation et analyse de pr parations microscopiques d asques cas d un couple d all les Procr ation Notions et contenus R gulation physiologique de l axe gonadotrope Activit s envisageables Observations microscopiques de spermatozo des et de coupes de testicules de mammif re Observation microscopiques de coupes d ut rus Observation microscopiques de coupes d ovaires Observation d lectronographies de glaire cervicale Immunologie Notions et contenus Une maladie qui touche le syst me immunitaire le SIDA Les cellules cibles du VIH sont principalement des cellules immunitaires lymphocytes T4 monocytes et macrophages Les processus immunitaires mis en jeu Activit s envisageables tude de documents concernant le VIH et le SIDA Observation des lymphocytes en microscopie photonique et lectronique Comparaison lymphocyte B et plasmocyte au microscope lectronique Observation de lymphocytes T cytotoxiques en pr sence de cellules cibles Enseignement de sp cialit Des d buts de la g n tique aux enjeux actuels des biotechnologies Notions et contenus D pistage et diagnostic g n tique Activi
41. ordre de grandeur de la taille de la cellule Deuxi me tape R aliser la pr paration microscopique sur la lame gradu e Comparer la taille de la cellule la lame gradu e au 1 100 mm Donner un ordre de grandeur de la taille de la cellule Comparer le r sultat avec celui obtenu par la m thode des fils calibr s Troisi me tape R aliser un dessin scientifique en respectant la fiche m thode Indiquer le grandissement ou l chelle et le grossissement utilis Remarque En raison de la fragilit et du prix des lames gradu es la pr paration peut tre r alis e par le professeur puis montr e aux l ves avec sur l cran apr s capture avec une cam ra vid o Appr hender les chelles du vivant p 44 2 s ance R aliser des mesures sur documents photographiques utiliser une chelle pour d terminer la taille r elle d une cellule R aliser les activit s suivantes Activit 1 Les oursins ont un mode de f condation externe Les ovules sont lib r s dans l eau de mer avant f condation Cette photographie montre un ovule observ au microscope optique membrane noyau D termine le diam tre r el de l ovule en um en utilisant l chelle fournie Diam tre Activit 2 Cette image r alis e au microscope lectronique balayage montre des colibacilles bact ries abondantes dans l intestin A l aide de l chelle indique la longueur r elle de la bact rie A d sign e
42. otamment des microscopes A Balasse http www premiumorange com Le Compendium Site de SVT http wwwppeda free fr Avec une page consacr e aux colorants et r actifs notamment les Colorations cytologiques http wwwpsvt free fr svt bio colorants colorants htm A propos de Microscopes d instruments et de mesures http www microscopies com DOSSIERS Magazine Articles WD MicroMesures MicroMesures htm Conf rences en ligne missions ou reportages vid o Emission Thalassa du 30 avril 2010 Emmanuel Reynaud entre l art et la science Un reportage de J Mascolo de Filippis 12 Production mc4 Conf rence de l UTLS au Lyc e Gr gor Mendel 94 par U Hazan virologue l Institut Cochin en f vrier 2008 Qu est ce qu un virus http www canal u tv producteurs universite_de_ rous_les_savoirs_au_lycee dossier_ programme s utls_au_lycee_2008 qu_est_ce_qu_un_ virus_uriel_hazan Emission La T te au carr sur France Inter pr sent e par M Vidard le 5 mai 2010 Mati re et mat riaux Avec Etienne Guyon Physicien directeur honoraire de l Ecole Normale Sup rieure et Dominique Rojat Biologiste doyen de l Inspection g n rale des sciences de la vie et de la Terre Un passionnant voyage dans toutes les chelles de la mati re depuis la mol cule unique jusqu aux nuages interstellaires http sites radiofrance fr franceinter em lateteaucarre Appr hender les chelles du vivant p 2
43. ppr cier la vraisemblance d un r sultat Culture scientifique et technologique Les l ves doivent savoir pratiquer une d marche d investigation savoir observer questionner manipuler et exp rimenter formuler une hypoth se et la tester argumenter mettre l essai plusieurs pistes de solutions exprimer et exploiter les r sultats d une mesure ou d une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique l crit et l oral ma triser des connaissances dans divers domaines scientifiques mobiliser ses connaissances dans des contextes scientifiques diff rents et dans des activit s de la vie courante par exemple appr cier l quilibre d un repas exercer des habilet s manuelles r aliser certains gestes techniques Socle commun de connaissances et comp tences au coll ge Le d cret du 11 juillet 2006 nonce les connaissances et les comp tences que tous les l ves doivent avoir acquises la fin de leur scolarit obligatoire Selon l article 9 de cette loi la scolarit obligatoire doit au moins garantir chaque l ve les moyens n cessaires l acquisition d un socle commun constitu d un ensemble de connaissances et de comp tences qu il est indispensable de ma triser pour accomplir avec succ s sa scolarit poursuivre sa formation construire son avenir personnel et professionnel et r ussir sa vie en soci t Le texte du socle commun s articule en sept grandes comp tences l
44. r C est le nombre d alv oles pulmonaires dans les deux poumons C est le nombre d habitants en Europe C est la surface totale de contact entre l air et le sang dans les poumons C est la surface d un terrain de badmington s pare l air du sang que le diam tre dans les alv oles d un cheveu pulmonaires C est la quantit de sang qui passe dans les poumons chaque minute d Extrait de Nathan 5 2006 C est la quantit totale de sang pr sent dans le corps d un adulte C est la distance qui ie C est 50 fois plus petit Les chiffres sont frappants ce type de document permet l l ve de faire le lien avec les images pr c dentes Et surtout de mieux r aliser les diff rentes chelles ne les rapportant des objets plus concrets pour lui Exemple 3 Un zoom pour comprendre capillaires sanguins AS C ELKI des capillaires Extrait de Bordas 5 2006 Ici l l ve peut visualiser les structures diff rentes chelles gr ce un zoom Notons ici que l diteur n indique pas si les valeurs num riques sont des grossissements ou des grandissements Appr hender les chelles du vivant p 13 Exemple 4 Une chelle logarithmique pour comparer chelle des mesures f Cellules animales et v g tales Globules rouges Noyau La plupart des bact ries PE __ Chloroplastes Mitochondries C4 _LargeurdeADN gt 7 Poitemol c
45. randissement annexe 6 doc A Leur taille est indiqu e par un barreau ou segment annexe 6 doc 4a B Par ailleurs des supports d activit s sont propos s dans les manuels pour que les l ves s approprient les chelles en voici quelques exemples Exemple 1 Le poumon diff rentes chelles Sur chaque image un barreau d chelle ou segment permet de mesurer la taille de l objet repr sent Un sch ma explicatif apporte un aide suppl mentaire sur la structure de l alv ole Ce type de document doit permettre l l ve de s approprier les diff rentes chelles du vivant de la cellule la l gende ne mentionne pas le globule rouge qui n est pas tudi dans cette partie du programme au tissu et l organe O a haya De lv oles f A Un conduit rempli de sang LA J Une brarfchiole FT Un conduit rempli d air CE Tranche de poumon de mouton en haut les conduits b Coupe de poumon observ e au microscope en gros plan lectronique if f l W pe Capillaire sanguin 2 2 Le j vE Paroi de U wia ka l aiv ole gt e a Alv ole f Bronchiole ma TT Le B 5 t i M f cs Alv ole g PA NS Ti L A R seau Mo gt Alv oles q capillaire i j PETR R seau de capillaires la surface des alv oles ds Coupe d alv oles observ e au microscope optique Extrait de Nathan 5 2006 Appr hender les chelles du vivant p 12 Exemple 2 Des chiffres pour visualise
46. reuses observations qui ne concernaient pas seulement ses toffes mais aussi tout objet veillant sa curiosit Et il dessinait ce qu il observait en particulier des infusoires globules spermatozo des et m me des bact ries Mais c est Hooke 1635 1703 physicien astronome et naturaliste Anglais que l on doit la d couverte de la cellule Celle ci serait attest e par une communication datant de l ann e 1667 la Soci t Royale de Londres Examinant des v g taux notamment une fine tranche de li ge il trouva une explication la l g ret de ce mat riau dans lequel il lui semblait apercevoir des pores qu il se repr sentait comme des logettes qu il nomma cellules en r f rence aux chambres exig es des moines Ce qu il observait alors n tait pas des cellules mais uniquement la paroi rigide qui les entoure cependant l id e de cellule tait n e et Hooke examina au microscope d autres fragments de v g taux dans lesquels il retrouva la m me structure poreuse En plus des interpr tations de ses observations pour essayer d expliquer les propri t s physiques des mat riaux il rechercha si l organisation microscopique permettait de faire appara tre un point commun entre v g taux et animaux Il ne g n ralisera pourtant pas le concept Il faudra en effet attendre le d but du dix neuvi me si cle pour que la th orie cellulaire voit le jour Avant cette date les observations r alis es n taient pas interpr t es e
47. rtions un blocage en math matique s ajoute celui du probl me de perception des objets non visibles l il nu Enfin certains l ves ont des difficult s pour faire un raisonnement simple partir d une observation ou d un texte Les r sultats de l activit 2 montrent que les l ves ont bien compris l utilit du microscope mais cela reste un obstacle pour certains Ces derniers ne comprennent pas toujours le sens d une activit si on observe au microscope c est parce que les objets observ s sont invisibles l il nu Les r sultats de l activit 3 montrent que En PAUSE e Les l ves ne ma trisent pas les unit s de mesures comme le mm ou le cm ce qui repr sente un obstacle pour ma triser des unit s plus petites e L outil math matique de conversion n est pas assimil manipuler des ordres de grandeurs reste un obstacle e Enfin il semble difficile pour ces l ves de 6 de comparer de fa on abstraite des objets qu ils n ont pas directement sous les yeux En terminale apr s 6 ann es d enseignement pendant lesquels les l ves travaillent sur des objets microscopiques la ma trise de leur dimension n est pas acquise La m thodologie de transmission du savoir est donc am liorer Par contre les l ves savent utiliser de fa on correcte un microscope vu pendant mes s ances de TP en TSsp mais j ai constat qu ils ont du mal se repr senter l objet observ entre lame et lamelle en 3
48. s La cellule est un espace limit par une membrane qui change de la mati re et de l nergie avec son environnement Cette unit structurale et fonctionnelle commune tous les tres vivants est un indice de leur parent Capacit s et attitudes R aliser une pr paration microscopique et ou utiliser des logiciels et ou organiser et recenser des informations pour distinguer les chelles atome mol cule cellule organe organisme et les ordres de grandeur associ s Comparer des ultrastructures cellulaires pour illustrer la parent entre les tres vivants Dans le programme de la classe de premi re S L ensemble du programme s articule autour des relations existant entre le g notype d un organisme et son ph notype Dans un premier temps la notion de ph notype est tudi e diff rentes chelles macroscopique cellulaire et mol culaire Les diff rents niveaux d organisation une fois tablis le r le fondamental des prot ines dans la r alisation du ph notype est approfondi travers l exemple des prot ines enzymatiques L enseignement s organise autour de la construction du raisonnement scientifique et des approches exp rimentales Les diff rentes parties du programme reposent sur des activit s pratiques permettant l l ve de s approprier les concepts les m thodes les techniques qui fondent la connaissance scientifique Au cours des s ances de travaux pratiques l l ve apprend saisir des donn es tra
49. s et de la terre rapport e une ann e dans laquelle pour ne prendre qu un seul exemple les premiers repr sentants de la lign e humaine n apparaissent que le 31 d cembre vers 21 heure en astronomie par donner une chelle du syst me solaire illustr e par une ville de 6 km de diam tre dont Pluton marque la limite avec au centre le soleil repr sent par une boule de 1 50 m de diam tre et o la terre est 150 m de cet astre et indiquant qu cette chelle r duite l toile la plus proche serait 40 000 km Le souci de bien faire percevoir les notions d chelles ne se limite donc pas au cadre scolaire et doit tre poursuivi dans le cadre d une vulgarisation dans tous les domaines des sciences Appr hender les chelles du vivant p 20 BIBLIOGRAPHIE La didactique des sciences J P Astolfi M Develay Que sais je PUF 6 dition 2005 Van Leeuwenhoek l exercice du regard P Boutibonnes Belin 1994 Aider les l ves apprendre G De Vecchi Hachette Education 1992 Histoire de la biologie 2 tomes A Giordan dir Lavoisier 1986 1987 Biologie et biologistes G Gohau Magnard 1978 Mati re et mat riaux De quoi est fait le monde E Guyon dir Belin 2010 Mille milliards de cellules G Macagno Ellipses 2001 L cole mode d emploi P M rieu ESF 1985 La mesure Histoire science et philosophie J Perdijon Dunod 2004 Histoire illustr e de
50. t s envisageables Observation de caryotypes anormaux Diversit et compl mentarit des m tabolismes Notions et contenus Du carbone min ral aux composants du vivant la photo autotrophie pour le carbone L ATP mol cule indispensable la vie cellulaire Activit s envisageables tude d une coupe de feuille Localisation du parenchyme chlorophyllien et des stomates tude en microscopie optique de chloroplastes tude d lectronographies de chloroplastes Mise en vidence d amidon dans les chloroplastes Observation de mouvements de cyclose Observation de contraction de fibres musculaires tude d lectronographies de fibres musculaires tude d lectronographies de mitochondries Appr hender les chelles du vivant p 39 Annexe 6 Des exemples de documents tir s de manuels a Algues microscopiques et teneur en dioxyg ne Des mesures ont t r alis es le 29 ao t 2001 13h en M diterran e au large de Villefranche sur Mer Elles ont permis d tablir les courbes ci dessous 4 Teneur en dioxyg ne en unit arbitraire 260 240 220 en Dicxyg ne 180 160 g Algues 120 DO 20 40 60 80 100 120 140 Profondeur en m Zone clair e SEE Teneur en dioxyg ne de l eau et quantit d algues microscopiques en fonction de la profondeur Deux esp ces d algues microscopiques en M diterran e Extrait de Nathan 5 2006 Dans ce document
51. t comme le souligne F Jacob pour qu un objet scientifique soit accessible l exp rience il ne suffit pas de l apercevoir il faut poser au d part un probl me scientifique pour disposer d un crit re organisateur de l observation qui permet de d couvrir un syst me de relations Ce temps long pour installer la th orie s explique en premier lieu par le fait que les microscopes n taient pas encore assez perfectionn s et standardis s pour permettre des observations reproductibles D autre part il fallait que le cadre de la Appr hender les chelles du vivant p 9 recherche se structure ce qui se fera au d but du 19 si cle Enfin il fallait une volution des id es de la philosophie et du climat intellectuel encore trop enferm s dans leur carcan religieux cette poque Ce n est donc que bien apr s les observations isol es r alis es au 17 puis au 18 si cle que nait le concept g n ral d crit par la th orie cellulaire Deux Allemands y contribuent largement Schleiden 1804 1881 botaniste et Schwann 1810 1882 physiologiste Ils tablissent le constat bousculant les id es de l poque que les v g taux et les animaux sont organis s sur la m me unit de structure et de fonction Depuis sa d couverte le microscope optique a connu bien des am liorations techniques et permet aujourd hui des grossissements allant de 40 2 500 fois Parall lement les techniques de coloration ont
52. ue QD De Mome fe are 1 mid cim tre 10m 1 mm millim tre 10 m 1 nm nanom tre 10 m 1 cm centim tre 10 2m 1 m microm tre 10 m Extrait de Belin 1 S 2006 Ce document montre le souci de l diteur d aider les l ves appr hender les diff rentes chelles Document utiliser sans mod ration par les professeurs et les l ves Une erreur signaler manque la lettre Grecque y dans les microm tres Voir aussi en annexe 7 un document d chelle encore plus large Appr hender les chelles du vivant p 14 Exemple 5 Mise en rapport de l outil et de l image Observer l infiniment petit _ l il L organe humain permet une observation de l infiniment grand au millim tre Centim tre 0 01 m La loupe binoculaire La binoculaire permet de grossir un objet m me pais clair par dessus Permet des grossissements allant de x 6 x 200 Dixi me de millim tre 0 0001 m Le microscope optique Un microscope est un instrument de pr cision permettant d observer l organisation d un objet tr s fin laissant en partie passer la lumi re qui arrive par dessous Permet des grossissements allant de x 40 x 1 400 Microm tre ou micron 0 000001 m Le microscope lectronique Il utilise au lieu de la lumi re un faisceau d lectrons concentr par des lentilles magn tiques Permet des grossissements allant de x 3 000 x 1 000 000 Nanom tre
53. ue traduisant les observations r alis es Ma trise des techniques usuelles de information et de la communication B2i Domaine 1 s approprier un environnement informatique de travail Domaine 3 cr er produire traiter exploiter des donn es Observer la loupe ou au microscope avec r alisation d images num riques Ces contenus sont galement au programme des classes de la 5 la 3 Dans le programme de la classe de 5 me Fonctionnement de l organisme et besoin en nergie Respiration et occupation des milieux de vie Connaissances Chez les animaux les changes gazeux se font entre l air ou l eau et l organisme par l interm diaire d organes respiratoires poumons branchies trach es Capacit s Effectuer un geste technique en r alisant une observation d organe respiratoire la loupe binoculaire ou au microscope Fonctionnement de l organisme et besoin en nergie Connaissances Au niveau des alv oles pulmonaires du dioxyg ne passe de l air dans le sang Les nutriments passent dans le sang au niveau de l intestin gr le Capacit s Observer recenser et organiser des informations relatives au trajet de l air dans l appareil respiratoire Dans le programme de la classe de 4 me Reproduction sexu e et maintien des esp ces dans les milieux Connaissances La reproduction sexu e animale comme v g tale comporte l union d une cellule reproductrice m le et d une cellule reproductrice femelle
54. ules d piderme d caille de bulbe d oignon ton sch ma doit tre r alis au crayon gris les traits doivent tre nets fins continus S informer et communiquer par un sch ma 1 Annote l gende ton dessin en utilisant le vocabulaire vu en activit et cours 4 mots cl s au total sont attendus les traits de l gende doivent tre tir s la r gle les l gendes crites horizontalement Restituer ses connaissances 1 Indique ce que repr sente la cellule pour le monde vivant Restituer ses connaissances 2 La taille des cellules en moyenne 10 microm tres 1 microm tre c est mille fois plus petit que 1 millim tre ne permet pas de les observer l il nu puisque l il humain ne peut distinguer les objets en dessous de 100 microm tres On dit que l il humain a une r solution de 100 microm tre Indique la dimension la largeur par exemple en microm tre de la cellule d oignon repr sent e sur la photo aide toi de l chelle indiqu e et indique combien de cellules d oignon doivent tre juxtapos es pour qu on puisse les voir l il nu Pr sentation orthographe Fran ais correct Communiquer 1 Appr hender les chelles du vivant p 25 REPONSE ATTENDUE DE L EVALUATION DIAGNOSTIQUE Correction du contr le n 6 La notion de cellule Membrane paroi Noyau Cytoplasme Photographie de gauche Observation au microscope optique de cellules d
55. ur lesquelles j ai test des activit s et discut leurs r sultats ainsi que celles qui sont r investies de nombreuses fois jusqu la terminale Socle commun de connaissances et comp tences Conna tre les nombres fractions les puissances ordonner comparer Appr hender les chelles du vivant p 10 Conna tre les principales grandeurs unit s de mesure formules calculs et conversions Conna tre les mesures l aide d instruments en prenant en compte l incertitude li e au mesurage Reconna tre les situations relevant de la proportionnalit et les traiter Savoir estimer l ordre de grandeur d un r sultat Savoir que les sciences exp rimentales et les technologies ont pour objectif de comprendre et de d crire le monde r el Savoir que l Univers est structur du niveau microscopique atomes mol cules cellules du vivant au niveau macroscopique plan tes toiles galaxies Conna tre les caract ristiques du vivant unit d organisation cellule Pratiquer une d marche scientifique travers l observation et le questionnement et partir de l pour formuler une hypoth se et la valider Manipuler et exp rimenter D velopper des habilet s manuelles tre familiaris avec certains gestes techniques Programme de la classe de 6 Connaissances Au niveau microscopique les organismes vivants sont constitu s de cellules La cellule est l unit d organisat
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