Sciences de la vie et de la Terre

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01 / 09 / 2005 | Migration
 

 

 

Date : Novembre 2002

AUTEURS :
Sylvie CAMPESTRINI
Corinne FONTA
Ghislaine MOCQUOT
Eric PEREZ
Bernard SOUCHAUD
Jérôme VALLOT


Niveau concerné :

Lycée
Type
Didactique

SECONDE

AUTOTROPHIE
/ HETEROTROPHIE : FAUT-IL PARTIR D’UNE COMPARAISON DES BESOINS NUTRITIONNELS
 ?

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En
quoi les représentations des élèves constituent-elles
un obstacle ?

Lorsqu’on
pose à des élèves de Seconde la question suivante
 :"Cite un ou plusieurs groupes d’êtres vivants qui, selon toi,
se nourrissent très différemment de nous-mêmes" on
constate que la très grande majorité d’entre eux ne cite
pas les végétaux (pour certains élèves il
n’est même pas sûr que les plantes soient de véritables
êtres vivants). La distinction la plus importante leur semble être
la distinction végétariens / carnivores / omnivores. Si
on fait remarquer que les végétaux ont été
oubliés les élèves concernés admettent très
facilement que ceux-ci ne se nourrissent pas de la même façon
(et en particulier pas des mêmes choses) que les animaux. Le problème
de la diversité des besoins des autotrophes et des hétérotrophes....n’est
pas un problème ! L’obstacle réside dans le fait que
les élèves ne perçoivent pas l’originalité
fondamentale des autotrophes à savoir leur capacité de synthèse
de molécules organiques à partir de molécules minérales.
En d’autres termes les deux modes de nutrition autotrophe et hétérotrophe
sont perçus comme des variantes (un peu comme la distinction végétariens
carnivores ) et non comme des modes radicalement différents de
nutrition. Pour attaquer l’obstacle il faut donc :

Montrer
que du point de vue de la nutrition les végétaux chlorophylliens
sont très différents de tous les autres êtres vivants.

Se
placer d’emblée du point de vue de la synthèse des
biomolécules à partir de molécules minérales
par les autotrophes et non du point de vue de la comparaison de leurs
besoins nutritionnels avec ceux des hétérotrophes
. En
effet, au terme d’une étude comparative des besoins, l’élève
peut très bien admettre que la plante n’a pas besoin de molécules
organiques mais d’eau, d’ions minéraux et de dioxyde de carbone
sans intégrer l’idée que si elle peut se passer des
premières c’est parce qu’elle a la capacité de les photosynthétiser
à partir des secondes ! Le risque est d’autant plus grand que les
ions minéraux sont, (un peu comme les vitamines pour les animaux),
souvent perçus comme des sortes d’« adjuvants » nécessaires
à la croissance mais qui n’y participent pas réellement
(1). L’eau n’est, quant à elle, perçue que comme
« nécessaire pour éviter la déshydratation ». Pour
résumer on peut dire que ce ne sont pas les besoins qu’il faut
comparer mais les capacités de synthèse.

Négliger
(du moins dans un premier temps) la nécessité de la lumière
pour, d’une part, éviter que ne soit mis sur un même plan
source d’énergie et matériaux utilisés par la photosynthèse
« La plante a besoin d’eau et de lumière » et, d’autre part, centrer
le travail sur la synthèse chimique des biomolécules.


On peut espérer qu’ainsi l’originalité des besoins
des autotrophes ne sera pas perçue comme une simple curiosité
biologique mais comme la conséquence d’une potentialité
(la photosynthèse) dont sont dépourvus les hétérotrophes.

Tentative de mise en pratique en classe.

Faire
émerger les représentations et ainsi savoir d’où
« partent » les élèves.

Pour
ce faire on a posé la question suivante :"

 Quelles sont les différences les plus importantes entre nous mêmes et une plante verte en ce qui concerne la façon de se nourrir ?

".

Cette
question a été posée à la fin de la séance
précédente et en prenant soin de la présenter comme
une sorte de « sondage » (« Non ce ne sera pas noté ! »…)

Tous
les élèves répondent spontanément et rapidement
(cela montre que tous ont une idée sur la question ce qui ne constitue
pas une surprise). Ci dessous 4 exemples de réponses représentatives
des conceptions des élèves :

"Elle
est différente de nous car elle ne se nourrit pas par la bouche
mais par des racines qui se nourrissent grâce à la terre.
Elle est indépendante"

"Les
végétaux sont différents de nous car ils ne se nourrissent
que d’eau, d’air et de terre alors que l’humain se nourrit de viande,
de végétaux mais il consomme aussi de l’eau et de l’air"

"Les
végétaux ne mangent rien de matériel. Ils ont besoin
des rayons du soleil pour survivre. Ils ont juste besoin d’eau pour ne
pas se déshydrater"

"La
plante verte est différente de moi car elle n’a pas de bouche et
ne va pas chercher sa nourriture. Elle boit par les racines et mange aussi
sous la terre"

On
peut constater que :

Les
élèves accordent beaucoup d’importance à des différences
sans rapport avec notre objectif (les végétaux n’ont pas
de bouche et ne cherchent pas leur nourriture contrairement aux animaux).
La question n’est donc pas assez précise.

Tous
les élèves répondent en termes de besoins (de terre,
de lumière….).et non pas d’utilisation des « substances » et
de la lumière. La notion de synthèse de biomolécules
n’apparaît évidemment pas.

Du
problème biologique à l’élaboration des hypothèses.

Il
n’y a guère de problème sans problèmatisation : Un
problème n’en est un que si on se l’est véritablement posé
ce qui passe le plus souvent par sa construction. Cela vaut bien sûr
pour les problèmes biologiques sur lesquels nous faisons travailler
nos élèves. C’est la raison pour laquelle nous commençons
souvent un nouveau travail en proposant une expérience, une observation…dont
nous espérons qu’elles feront émerger un problème
que les élèves tenteront ensuite de résoudre. Dans
le cas qui nous occupe ici on n’a pas réussi à trouver cette
situation « déclenchante » ce qui nous a conduit à imposer
le problème ce qui n’est évidemment pas la situation idéale.
Il est le suivant : "Comment la betterave a t-elle produit le sucre
que je viens de mettre dans mon café ?"

Face
à ce problème dont la formulation est volontairement la
plus simple possible deux types principaux de réactions peuvent
être identifiés.

Pour
certains élèves….il n’y a pas de problème

 : "C’est la nature, il y a du sucre dans toutes les betteraves…et
aussi dans les cannes à sucre".

Pour
les autres il y a bien problème mais celui ci n’est pas à
leur portée
. Il est trop difficile pour qu’une première
réponse même inexacte puisse être fournie. "Je ne vois
pas comment une betterave peut fabriquer du sucre alors qu’elle ne se
nourrit que d’eau et de lumière !". Ces élèves ne
pourront « démarrer » que lorsqu’ils auront pris conscience que le
sucre est une substance comme les autres dont on peut envisager la synthèse.
Une question telle que : « Finalement, le sucre qu’est ce que c’est ? »
est un excellent signe d’un prochain « décollage » (on fournit alors
la formule chimique du saccharose)

Il
apparaît donc que la formulation du problème doit être
modifiée de façon à ce qu’il devienne un problème
pour tous les élèves tout en restant à leur portée.
Plus facile à dire qu’à faire…….

L’an
prochain nous essayerons la formulation suivante : "Avec quelles substances
la betterave a-t-elle fabriqué le sucre que je viens de mettre
dans mon café ?". Il semble que cette formulation induit davantage
un questionnement tourné vers la réaction chimique et la
recherche de la nature des « réactifs » (CO2 et H2O)

Toujours
est-il que si on réussit à faire en sorte que les élèves
acceptent l’idée qu’il faut se placer dans le cadre de la synthèse
d’une substance chimique ( le sucre) les choses deviennent un peu plus
faciles.

Idéalement
il s’agit d’apporter à chaque groupe d’élèves des
informations qui mettent leur conception en contradiction avec les faits
et donc déstabilisent cette conception. Lorsque l’élève
a clairement perçu cette contradiction le professeur fournit de
nouvelles informations qui lui permettent de sortir de l’impasse et ainsi
de suite…

  Un exemple idéal :

"La
betterave se nourrit de terre"…..(pour fabriquer du sucre est le
plus souvent obligé de rajouter le professeur). On fournit alors
des documents présentant une culture hors sol.

"La
betterave utilise l’eau du sol« . »…..(pour fabriquer du sucre est
encore obligé de rajouter le professeur) =>On fournit les formules
chimiques de l’eau et du saccharose => "Mais alors d’où vient
le carbone ?" => On fournit alors un document (textes et photos) qui
répertorie les moyens d’améliorer la productivité
primaire sous serre (éclairement, engrais, lutte contre les ravageurs
et …augmentation de la teneur de l’atmosphère en CO2)

"C’est
grâce aux engrais". => On fournit alors la formule chimique du
saccharose et la composition d’un engrais. On remarquera que l’emploi
du mot « grâce » et non de l’expression « à partir » n’est pas
innocent.

"Mais
alors à quoi servent les engrais ?" => On fournit alors la formule
d’acides aminés par exemple.

  Quelques exemples de difficultés majeures :

Certains
élèves ne réussissent pas à démarrer
.
Il semble qu’ils ne puissent pas concevoir que des réactions chimiques
se déroulent dans un être vivant aussi paisible qu’une betterave
 ! « Cela ne peut pas être chimique ! » déclarera d’ailleurs
avec force une élève. Cela est peut-être à
mettre en relation avec le fait que pour beaucoup d’élèves
ce qui chimique ne peut pas être naturel. « chimique » étant
très négativement connoté (2).

Le
concept de conservation de la masse n’est pas acquis par tous les élèves

ainsi qu’en témoigne l’explication suivante fournie par deux groupes
d’élèves : "Le sucre était déjà présent
dans la graine« . Réaction immédiate du professeur : »Lorsque
la betterave est récoltée elle contient 100 grammes de sucre
alors que la graine ne pesait qu’un gramme !"(Je ne suis pas sûr
de valeurs fournies dans l’urgence !) Réaction immédiate
de l’un des élèves : "Peut être que la molécule
était présente dans la graine et qu’elle a grandi en même
temps que la betterave !" Réaction immédiate du professeur
 :…Aucune. Comme quoi il est difficile de prévoir tous les
documents adaptés à chaque situation et même si on
les a prévus on n’est pas sûr de gagner la partie…

Les
concepts d’atomes, de molécules et de réaction chimique
ne sont pas maitrisés par tous les élèves
. Par
exemple pour beaucoup d’entre eux la nécessité d’une source
de carbone pour synthétiser du saccharose est très loin
d’être évidente…

Reste
le problème de la production de dioxygène.

Ce
travail étant consacré à l’étude des capacités
de synthèse des biomolécules par les autotrophes, sa mise
en évidence de la production du dioxygène n’est pas un objectif
prioritaire. Néanmoins cet aspect de la photosynthèse est
évidemment essentiel. On pourra aborder le problème en s’appuyant
sur le fait que la réaction H2O +CO2 à
C6H12O6 (ou C12H22O11)
n’est pas équilibrée. Mais ce travail n’est pas facile car
un grand nombre d’élèves ne sont pas capables (du moins
en début d’année) d’équilibrer une réaction
telle que celle ci.

A
la fin de ce travail les élèves sont conduit à formuler
l’hypothèse suivante : "A partir de dioxyde de carbone et d’eau
la betterave synthétise du sucre et du dioxygène"
. Certains
d’entre eux étant en mesure d’ajouter "Pour synthétiser
des molécules plus complexes telles que les acides aminés
des ions minéraux seront utilisés en plus de l’eau et du
dioxyde de carbone".


Retour sur
les conceptions des élèves

Faire
émerger les conceptions est moins difficile que de les utiliser
pour faire progresser les élèves. Il y a plusieurs façons
de faire. Dans le cas qui nous occupe les réponses à la
question : "Comment la betterave a t-elle produit le sucre que je viens
de mettre dans mon café ?"ont été rendues à
leurs auteurs en fin d’étude avec pour consigne de repérer
dans le texte initial ce qui était juste ou au contraire incomplet
ou inexact. Cela permet à chaque élève de mesurer
le chemin parcouru en confrontant ses conceptions initiales à sa
conception finale.

Exemples
de réflexions entendues à ce moment là :

"Donc,
finalement, les plantes n’ont pas vraiment besoin de terre"

Mais
aussi plus inquiétant :

"J’avais
juste : les plantes ont besoin d’air" (confusion air / dioxyde de carbone).

Cette
confrontation est très utile en ce sens qu’elle facilite l’« intériorisation »
par chaque élève de ce qu’il a réellement compris
et des obstacles qu’il a franchis.
Elle peut aussi être
l’occasion d’une ultime mise au point. Elle est aussi source de déception
pour le professeur qui constate souvent que ce qui a été
« intériorisé » est très en deçà des
objectifs qu’il s’était fixés.

Ce
travail ne peut s’arrêter là. Il faudra :

Tester
les hypothèses en veillant à ne pas revenir à une
simple étude des besoins (autoradiographie de feuille mises au
contact de CO2 radioactif….)

Généraliser
(betteraveà végétaux chlorophylliens, saccharoseà

"molécules
organiques") et compléter (rôle de la lumière, cas
des hétérotrophes) ce qui ne présente guère
de difficulté.

Utiliser
le savoir acquis dans d’autres contextes ("Les levures sont-elles autotrophes
 ?" cycle du carbone). Cela est indispensable pour consolider et montrer
à l’élève que son savoir est opérationnel.

(1)Goix
Marcelle « Grandir : Oui mais comment ? » Aster N°24.

(2)Solominodou
Christine, Stavridou Hélène "Les transformations
des substances, enjeu de l’enseignement de la réaction chimique"
Aster N°18.


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