Sciences de la vie et de la Terre

1. Professeur expérimentateur

Jean PREVOST, Collège Jean de Beaumont, Villemomble

2. Liaison avec le programme et place dans la progression

Niveau concerné : 4e
Partie du programme : Le vivant et son évolution - La nutrition des organismes
Place dans la progression : Début de la séquence sur le fonctionnement des végétaux chlorophylliens

3. Motivation et problème à résoudre

L’expérimentation est souvent limitée en collège par manque de matériel et est souvent remplacée par des exercices au format papier ou par des simulations numériques. Quand le matériel est disponible, il est tentant d’insister sur la pratique expérimentale pour obtenir des résultats exploitables, ce qui éclipse le moment de conception du protocole et fait perdre son sens à la manipulation effectuée.

La DANE de Créteil met à disposition des enseignants un kit pour mener des expérimentations assistées par ordinateur (Expérimentation Assistée par Ordinateur). Je me suis demandé comment faire en sorte que les élèves s’emparent de cette ressource pour vraiment expérimenter et pas seulement manipuler. Comment, en 55 minutes, conjuguer découverte et appropriation du matériel, conception d’un protocole expérimental, mise en œuvre d’expériences et acquisition de données ?

Il m’a semblé intéressant de les préparer à la séance en amont en utilisant un logiciel de simulation qui les entraîne à concevoir un protocole expérimental tout en « utilisant » du matériel scientifique. Une fois en classe, la phase de découverte et la conception du protocole seraient sans doute facilitées. Peut-être même que cela donnerait plus de sens à d’autres expériences conçues et réalisées numériquement par la suite.

En résumé : Comment conjuguer numérique et réel dans le travail de la compétence « Concevoir et mettre en œuvre un protocole expérimental » ?

4. Connaissances et compétences associées

5. Les outils numériques utilisés

Pour en savoir plus sur ce logiciel et sur toutes les possibilités qu’il offre, n’hésitez pas à consulter cet article rédigé par son concepteur et programmeur ; Guillaume Berthelot.

6. Cadre de référence des compétences numériques :

Lien vers le CRCN

Domaine 1 : information et données

D1.1 traiter des données

7. Déroulement global de la séquence

8. Indications pratiques sur cette séquence

Durée :
Séance 1 : temps synchrone : 1h
Devoir maison : temps asynchrone : 30 min (distance)
Séance 2 temps synchrone : 1h
Séance 3 temps synchrone : 1h
Séance 4 temps synchrone : 1h
Séance 5 temps synchrone : 1h
Horaire total : 5 h 30 min

Coût  : 0 € (mais utilisation de matériel EXAO)

Prise en main par l’enseignant :
– Assez intuitive

Prise en main par les élèves :
– Moyennement intuitive ; en effet, la liberté qui leur est offerte de pratiquer les expériences qu’ils souhaitent mettre en œuvre dans le but de répondre à un problème s’est révélée dans un premier temps assez déstabilisante pour bon nombre d’entre eux. Cela leur a demandé davantage de prise d’initiative et d’autonomie qu’à l’accoutumée mais a également présenté l’avantage de les placer en situation de recherche.

9. Déroulement détaillé de la séquence

Après avoir posé la problématique « Comment trouver les conditions optimales pour cultiver un végétal chlorophyllien ? » (Séance 1), les élèves sont invités à compléter une fiche-réponse à l’aide du logiciel Thyp, en travail à la maison. Ce logiciel de simulation est libre d’accès et compatible avec tous les appareils numériques munis d’une connexion internet. Cette activité (disponible ci-dessous) les invite à utiliser le logiciel dans le but de mener des expérimentations sur la consommation et le rejet d’O₂ ou de CO₂ par un végétal chlorophyllien en fonction de l’éclairement. Ils sont ainsi amenés à tester et à comprendre le fonctionnement des différents appareils de mesure et à tirer les premières conclusions quant au fonctionnement des plantes. La moitié de la classe est en charge des tests sur le dioxygène, l’autre moitié sur le dioxyde de carbone.
Activité Thyp 1

Séance 2 : les élèves sont séparés en deux groupes. Le premier groupe va au CDI, pris en charge par le professeur documentaliste et munis d’un document à compléter (disponible ci-dessous), pour utiliser à nouveau le logiciel THYP mais avec cette fois la mission de mettre en place des expériences afin de déterminer les rôles respectifs de la sève brute et de la sève élaborée. Ils travaillent sur ordinateur ou, à défaut, sur leur téléphone personnel.
Activité Thyp2

Le deuxième groupe est réparti sur 10 postes, préparés avec du matériel (sonde à O₂ ou CO₂, luxmètre, boîte en carton, éclairage LED, ordinateur ou tablette, bouteille transparente, feuille sombre type laurier ou lierre) présenté sur un document contenant également le protocole d’utilisation du logiciel d’acquisition Sparkvue. Ils reçoivent la consigne d’écrire et/ou de schématiser le protocole expérimental qu’ils choisissent de mettre en œuvre avant de réaliser leur expérience. Ils peuvent présenter leurs résultats mais ce n’est pas une obligation (ce n’est pas la compétence ciblée). Le matériel est emprunté au dispositif PREMAT de la DANE de Créteil.
Document sur les paillasses
Séance 3 : La semaine suivante, les deux groupes sont inversés.

Séance 4 : Les élèves se retrouvent en cours en classe entière. Une mise en commun des différentes conclusions est faite puis se pose la question de la façon dont les plantes captent les éléments qu’elles consomment. Une capsule vidéo (proposée par Marjo Cecillon) est projetée montrant un protocole pour parvenir à observer les stomates et une autre (proposée par Claire Lambert) pour observer les poils absorbants. Les élèves partent chercher du matériel frais dans les extérieurs du collège et de retour en classe, mettent en œuvre les manipulations observées.

Séance 5 : Un schéma-bilan est distribué avec pour consigne de le compléter à l’aide de tous les éléments appris au cours de la séquence.
Schéma-bilan
Il reste sur ce schéma deux cases à compléter (mycorhize et nodosité) qu’un document ressource distribué au moment-clé permettra de renseigner.
Nodosités et Mycorhize

10. Travaux des élèves

11. Retours des élèves

Un questionnaire diffusé dans l’ENT a permis de sonder les élèves (de façon anonyme) sur leur ressenti suite à cette démarche. Une grande majorité d’entre eux déclare avoir facilement accédé au logiciel Thyp et plutôt réussi à l’utiliser. 73 % des élèves estiment que son utilisation les a aidés à concevoir leur expérience en classe. Ils ont apprécié de manipuler dans le réel (85 %), bien plus qu’en utilisant une simulation numérique (20%). 77 % des élèves ont trouvé ces séances utiles pour s’entraîner à créer des protocoles expérimentaux. Enfin, 85 % d’entre eux aimeraient refaire ce type d’activité (alternance numérique/réel) pour développer d’autres compétences scientifiques.
Il apparaît donc que du point de vue des élèves, le bilan de l’expérimentation est positif.

12. Analyse et évaluation du dispositif par l’enseignant

Plus-values dégagées : Le travail préparatoire mené numériquement a réellement permis de placer directement les élèves en position d’expérimentateurs lors de la prise en main du matériel ExAO. Cela est d’autant mieux ressorti que les élèves qui n’avaient pas fait ce travail en amont ont présenté davantage de difficultés pour concevoir les protocoles expérimentaux, certains se sont même sentis démunis pour envisager des expériences à mettre en place. Il est également clairement ressorti que la manipulation du réel avait bien plus de sens que celle faite à l’aide du logiciel de simulation pour certains élèves.
Une seule séance a donc suffi pour concevoir, mettre en œuvre leurs expériences et donner du sens à leurs manipulations.
De plus, lors de la seconde activité numérique, les élèves familiarisés avec le logiciel et ayant pratiqué en classe ont eu plus de facilité à trouver « expérimentalement » les rôles de la sève brute et de la sève élaborée que les élèves ayant enchaîné les deux activités numériques avant de repasser par l’expérimentation sur le réel.
Ces observations tendent à démontrer que dans cette démarche, le numérique a facilité la mise en œuvre de l’expérimentation sur le réel et le réel a facilité la compréhension des simulations numériques.

Difficultés rencontrées : Le travail à la maison à l’aide du logiciel a déstabilisé les élèves les moins habitués à travailler en autonomie. Le coup de pouce proposé n’a pas toujours suffi à surmonter cette difficulté. Il serait peut-être bon de rajouter une aide supplémentaire (comme une capture d’écran du logiciel avec le bio-réacteur contenant la plante et la mise en valeur des zones où les paramètres sont modifiables) comme ressource dans un dossier partagé de l’ENT.
Le kit ExAO a très bien fonctionné, mais les derniers groupes se sont retrouvés en panne de batterie pour certains ordinateurs et tablettes. Il faut donc veiller à les recharger entre chaque séance.
Je ne disposais pas de tous les appareils initialement prévus dans le kit (luxmètres notamment). J’ai contourné cette difficulté en proposant des postes avec un matériel différent, ce qui a permis finalement de faire de la différenciation pour les élèves. De même, j’ai placé certains élèves présentant plus de difficultés au sein d’un binôme de niveau hétérogène pour qu’ils mènent à bien leurs expériences.

Pistes d’amélioration : Si les élèves ont pu concevoir et réaliser leurs expériences, je n’ai pas pris le temps de la sauvegarde et du partage de leurs résultats. Prendre ce temps, éventuellement au cours suivant lors d’une mutualisation, serait l’occasion de travailler leur sens critique sur la mise en œuvre de leurs protocoles et de proposer des explications aux éventuelles variations observées entre certains résultats.