Sciences de la vie et de la Terre

*Place dans la progression, Idées et Objectifs généraux

– Cet article correspond à un travail déjà ancien... mais jamais publié, faute d’atteindre la perfection d’animations plus récentes, réalisées par des collègues chevronnés et experts en « flash ». [1] .

Malgré ses imperfections, il semble avoir sa place sur le créneau du contrôle nerveux de la ventilation pulmonaire, pour y associer une réflexion méthodologique voisine de la méthode utilisée en physio nerveuse notamment pour le contrôle nerveux de l’activité cardiaque.

– En seconde, la progression pour la partie « l’organisme en fonctionnement » suit les grandes lignes suivantes :

• On a d’abord abordé les modifications physiologiques lors de l’effort (et quantifié les variations des fréquences cardiaques par prise du pouls et ventilatoire, en travaillant sur des enregistrements —spirogrammes— obtenus en EXAO)

• On montre ensuite comment l’augmentation combinée des débits cardiaque et respiratoire répond à l’accroissement du métabolisme des cellules musculaires.

• En fin de partie, on envisage la modulation coordonnée des activités cardio-vasculaire et respiratoire par le système nerveux permet l’adaptation de l’organisme à l’effort.
  L’activité cardiaque -sous le contrôle du système nerveux- est étudiée à l’aide d’une simulation.

Une telle démarche est reconduite avec l’utilisation de « respir’ »

– L’un des choix est de « motiver »

• en utilisant l’être humain comme sujet d’étude pour faciliter l’émission d’hypothèse(s) ; il semble plus facile en effet d’avoir des idées sur ce qui se passe dans son propre organisme que d’imaginer ce qui se passe pour des animaux...

• en s’appuyant sur une simulation aussi proche que possible du réel.

– sur le plan méthodologique, il s’agit de :

• Réinvestir une démarche scientifique du type « j’observe, je déduis ».
• D’établir le lien entre des activités déjà réalisées (calcul de fréquence- cardiaque lors de la mesure du pouls - ou ventilatoire à partir de spirogrammes obtenus en EXAO par exemple.) et de réinvestir les calculs de fréquence et/ ou les analyses de graphiques.

– L’usage des TICE permet particulièrement

• De différencier le travail (malgré un nombre insuffisant de cas à traiter)
• À chacun de travailler à son rythme.
• Ce peut-être aussi l’occasion de développer ou d’évaluer des compétences du B2i : naviguer et utiliser des fenêtre « pop-up » d’aides ou objets divers (chronomètre, calculette etc.)

*Le contenu et ses visées méthodologiques :

Depuis une page d’accueil organisée en fonction d’une démarche scientifique, on dispose de liens vers :

– Les mouvements de la cage thoracique mettant en parallèle des images de radiographie et une animation pour éventuellement établir le lien entre les images du réel et la simulation d’une part et la représentation de la cage thoracique de profil et de face.

On pourra également regarder avec profit les animations-vidéo en 3D de l’université Claude Bernard Lyon I [2]. Pour voir la vidéo

– Un schéma interactif de l’organisation de la cage thoracique afin de préciser le rôle des différents éléments constitutifs. Ce schéma peut-être aussi (surtout ?) utilisé pour localiser les nerfs et centres nerveux impliqués dans les différents cas cliniques évoqués par la suite.

– Une série d’animations simulant des cas « cliniques » :

chaque page comporte :

• en en-tête une brève description de l’état du sujet,
• un schéma pour localiser les structures du systèmes nerveux impliquées,
• une animation simulant le « résultat »,
• une série d’outils complémentaires permettant d’effectuer une démarche plus rigoureuse grâce à l’utilisation d’outils de mesure (chronomètre, calculette). En effet l’observation directe favorise des réponses qualitatives (« la fréquence augmente », ou avec un style lapidaire : « ça diminue ! » ou « c’est plus » quand ce n’est pas ça se voit !). formulations qui vont souvent à l’encontre de la précision attendue... d’où l’intérêt « d’obliger » au calcul et d’en tenir compte dans la formulation... (Par exemple : La fréquence d’un sujet sain est de... ; Lorsque les nerfs sont sectionnés la fréquence est de... ;
  Si la section entraîne une augmentation de la fréquence alors ces nerfs...)

– Les 5 cas sont ceux relatés dans la littérature de base ; ils correspondent en partie aux principales notions à acquérir en seconde (voir le référentiel)

• Homme sain au repos ;(cas III)
• Homme sain pendant un effort ;(cas V)
• Lésion du bulbe ;(cas I)
• Section accidentelle des nerfs ;(cas III)
• Stimulation des nerfs rachidiens ;(cas II)

Ces « cas » —volontairement présentés dans le « désordre »— ne permettent pas de couvrir l’ensemble des points du référentiel ; il faut donc souligner les limites de l’exploitation de ces données et de montrer que, contrairement à une pratique pédagogique courante, les expériences ne confirment pas toujours l’hypothèse.

En complément, il sera donc possible d’envisager le recours à d’autres données dans un manuel ou dans un logiciel...

Ces animations comportent quelques imperfections —qui en général ne gênent pas la réflexion— mais méritent d’être signalées afin de parer à toute question « embarrassante » :

– glissement des points d’articulation des cotes sur la colonne vertébrale.
– cinétique « capricieuse » de la contraction des muscles (intercostaux et élévateurs des cotes).
– Il n’y a pas de bouton de « démarrage » et la simulation fonctionne dès l’affichage de la page... ce qui pose parfois problème lorsqu’il n’y a aucun mouvement ventilatoire (lésions du bulbe par exemple !)
– Enfin, d’autres améliorations et compléments étaient prévus pour diversifier les calculs et mieux couvrir les points du référentiel mais ils restent à mettre en œuvre.

Merci de votre indulgence.

*Les modalités du Travail :

**1- Présentation du travail : (phase dialoguée)

La problématique est vite mise en place : on peut partir de deux constats :

Pendant le sommeil on continue à respirer...

Mais si on veut, on peut bloquer sa respiration (au moins quelques temps)...

La plupart du temps l’hypothèse émise par les élèves est que le « cerveau » (qui reste une entité mal cernée) contrôle la respiration.

Il s’agit alors de découvrir quels sont les organes et les voies du système nerveux qui interviennent sur les muscles intervenants dans les mouvements de la cage thoracique.

Ceci dit, il est souvent nécessaire de rappeler —si cela n’a été fait auparavant— que :

– les poumons sont passifs,
– qu’ils sont solidaires des mouvements de la cage thoracique et
– que celle ci est mis en en mouvement par un ensemble de muscles.
– la contraction / décontraction de ces muscles est contrôlée par le système nerveux (nerfs et centres).

Ce travail peut en grande partie être appréhendé grâce à un autre logiciel d’animation « pulmo » (Logiciel de P. Perez [voir la présentation et télécharger)

En ce qui concerne le dernier point, pulmo, ne traite pas de la commande nerveuse... qui constitue l’essentiel de cette simulation.

**2- Phase de travail autonome en binôme (2 élèves par poste)

Cette phase peut donc elle même se décomposer en 2 parties

– une première d’anatomo-physio permettant de comprendre la « mécanique » ventilatoire avec « pulmo ».
– une seconde aboutissant à préciser l’idée d’une commande nerveuse... qui sera plus longuement traitée ici.

Une fois la mise au point anato-physiologique... on s’interroge donc sur « comment sont contrôlés les mouvements des muscles mobilisant la cage thoracique et du diaphragme ».

Il est important de revenir sur l’impossibilité chez l’homme d’expérimenter,et donc d’avoir recours à des faits « accidentels » relatés sous la forme de cas cliniques par les chercheurs en médecine et enfin l’idée de simulation et donc la distinction entre le réel et les diverses images numériques. (Pour le B2i Collège : Domaine 3 - Créer, produire, traiter, exploiter des données ; « Capacités : L’élève doit être capable de : différencier une situation simulée ou modélisée d’une situation réelle » ; cf article récent).

***Les consignes :

elle concernent :

– le démarrage du logiciel (chemin ou arborescence éventuelle dans le « menu démarrer »).

– la démarche : constat initial, le résultat observé, mesuré ou enregistré, la déduction (cf. plus bas « bilan »)

– les « outils » utilisés : chronomètre, calculette. L’idée est plutot de réfléchir aux calculs -souvent très simples- en particulier lorsqu’il n’y a pas de mouvements !

– le travail attendu. À titre d’exemple, un premier « cas », le cas 4 par exemple, peut-être traité collectivement et peut servir de référence...

Chaque « cas » est présenté de façon à ce que l’élève :

• • localise les structures du sytème nerveux impliqués (à l’aide du schéma légendé interactif) et les situe sur une copie d’écran.
  • observe la simulation
  • mesure la fréquence ventilatoire...
  • procède à une mise en relation et à une déduction sur le role du sytème nerveux sur la ventilation.

– la répartition du travail : selon le temps disponible et les habitudes de travail le professeur pourra répartir selon les binômes (1 cas de référence + 1 autre cas... avec ou non travail sur le graphique correspondant) ou au contraire faire travailler tout le groupe de TP de façon linéaire... attention cette solution est finalement assez chronophage puisque théoriquement tous les élèves doivent « tout » faire.
Pour gagner du temps, il est possible de faire préparer la partie « organisation » à l’avance... Ce travail qui consiste à légender le schéma, peut se faire avec une connexion internet (en passant la souris sur l’image interactive, on voit apparaître les légendes) ou sans (utilisation du texte seulement). Voir en bas de page pour télécharger le document à légender.

**3- Trace écrite et bilan :

Il s’agit de compléter le tableau mettant en correspondance pour chaque cas :

– l’« état » du système nerveux,
– les observations,
– les mesures de fréquence ventilatoire (issues des calculs effectués à partir de l’animation ou des enregistrements),
– les déductions (sur le mode j’observe que... j’en déduis que...)

La conclusion globale nécessite d’être nuancée ;le professeur pourra compléter quant au role des nerfs et des centres nerveux du bulbe qui commandent les mouvements mais mentionner aussi l’intervention des centres supérieurs...

*Conditions matérielles Documents annexes

Les élèves sont donc par binômes (l’idéal serait un PC/ élève...)

La trace de ce travail est une mini-impression d’écran... et le tableau de synthèse élaboré en fin de séance.

Les élèves peuvent aller en outre consulter l’animation (avant la séance pour préparer le travail ou après la séance pour « réviser » soit depuis le CDI ou de chez eux) sur le site de la classe.

Un autre logiciel en ligne est également utilisable sur ce même sujet :

Le contrôle nerveux de l’activité respiratoire
d’Olivier Benoît.

Il peut permettre une approche complémentaire et surtout différencier mieux le nombre de « cas ».

**Évaluation possible de compétences du B2i

Ce TP peut permettre un premier repérage des compétences des élèves :

– Pour le Domaine 1 : S’approprier un environnement informatique de travail, l’élève doit être capable de organiser son espace de travail et d’être autonome dans l’usage des services et des outils ; Ces capacités peuvent être appréciées par une bonne gestion du nombre de fenêtres ouvertes et par l’utilisation des touches [Alt-Tab] pour basculer d’une fenêtre à l’autre.
– Pour le Domaine 3 : Créer, produire, traiter, exploiter des données, les capacités visées sont « exploiter des données ou des documents numériques ».

**Installation et Mise en oeuvre de « respir »

– Téléchargez l’archive (ensembles de fichiers « compressés ») au format .zip en pièce jointe ci-dessous, et enregistrez là sur votre ordinateur
– Décompressez l’archive avec un logiciel de compression décompression (par exemple avec le logiciel « 7zip », libre, gratuit et en français !) : Tous les fichiers nécessaires sont dans le dossier « respir »
– Copiez ce dossier et son contenu sur les PC de votre salle
– Pour commencer double cliquez sur le fichier « accueil2.htm » : le navigateur se lance et la page de menu s’affiche.

Attention pour afficher les animations votre navigateur doit comporter le plug’in « flash ».