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En classe de cinquième
Objectif de l’enseignant : rendre représentable le gaz dioxygène par l’élève.
Dans les programmes de SVT, l’espace extra-terrestre ne fait pas partie de la liste des milieux à conquérir par les êtres vivants. Cependant, il pourrait y être fait allusion en cours puisque les problèmes que le vide pose à la physiologie humaine, et en particulier à la respiration, sont de même nature que ceux qui sont posés à la survie d’un animal aérien dans un milieu aquatique pauvre en oxygène. En effet, la station spatiale n’est pas loin de ressembler à la bulle d’air de l’araignée Argyronète. Emprisonnée dans le nid, cette bulle permet à l’animal pulmoné de respirer dans un environnement hostile parce qu’aquatique.
D’abord, l’expérience Biorat et/ou la station spatiale, présentées en cours, rappellent simplement et opportunément, ne serait-ce que pour poser d’entrée le problème, que les êtres vivants ne peuvent vivre sans oxygène : l’homme cosmonaute, par exemple, même s’il est séparé du vide par les parois de sa cabine et s’il a de l’eau et des aliments à sa disposition. En effet, ce n’est pas le confinement qui peut tuer le cosmonaute mais l’absence de quelque chose : l’oxygène, ce qui est en opposition avec la représentation commune. Une souris enfermée dans un bocal vit tant qu’elle peut respirer, ce qui n’est pas immédiatement évident pour un élève.
Cette situation établit également que la présence minimum d’un être vivant chlorophyllien suffit pour que la survie de l’animal et donc de l’Homme soit assurée. Elle révèle, ou elle rappelle, la dépendance absolue de l’animal vis-à-vis des êtres vivants chlorophylliens photosynthétiques et cela peut commencer à modifier le regard que l’enfant porte sur son environnement terrestre, par généralisation.
En outre, l’expérience Biorat permet de comprendre qu’avec un éclairement plus intense, davantage de dioxygène est produit, ce qui autorise une plus grande activité physique du rat et donc du cosmonaute, ou bien encore la présence de plusieurs hommes dans la capsule, et donc dans le milieu à occuper : « Des caractéristiques du milieu déterminent les conditions de la respiration... À la lumière, les végétaux chlorophylliens contribuent à oxygéner le milieu » (Programmes de SVT).
Enfin, et dans le cadre d’une approche interdisciplinaire, cette situation renvoie à la chimie. En effet, le lien entre l’être vivant chlorophyllien, producteur de dioxygène (le quelque chose qui fait vivre) et le cosmonaute (le quelqu’un qui a besoin de) est perceptible physiquement. Cette relation matérielle rend concevable le gaz, état invisible, car on peut se le représenter mentalement : il y a modélisation. Cela permet d’accepter l’idée nouvelle qu’un gaz est de la matière, même s’il n’est ni visible, ni apparemment pesant, ni secable. On peut alors se le représenter : « Un long processus historique a conduit à proposer un modèle qui décrit les solides, les liquides et les gaz comme un assemblage de “grains de matière” que, à titre provisoire et dans le cadre du programme, on désignera sous le nom de molécules » (Programmes de chimie, cinquième : 2. « L’air qui nous entoure ; le dioxygène »).
L’étude d’une station spatiale habitée peut donc constituer un sujet d’« itinéraire de découverte » où la physique-chimie et la technologie se joindraient aux SVT.
Pour en savoir plus
Au sujet des itinéraires de découverte, on consultera avec profit le site Éduscol (www.eduscol.education.fr/), traitant de l’innovation.
Il y est question « Des travaux croisés… aux itinéraires de découvertes » où des questions d’enseignants reçoivent des réponses d’équipes innovantes à propos de l’interdisciplinarité et de la place des disciplines, de l’autonomie, de l’organisation des itinéraires, etc.
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En classe de troisième
Objectif de l’enseignant : changer, chez l’élève, le statut de l’aliment et du déchet de l’organisme.
« La partie C concerne les conditions dans lesquelles l’organisme se procure et exploite, pour son fonctionnement et celui de ses cellules, les apports divers du milieu, et y rejette les produits de ce fonctionnement. [...] Les acquis nouveaux résultant de l’enseignement de la physique-chimie autorisent des investigations plus poussées que dans les classes précédentes, atteignant cette fois le niveau cellulaire (métabolisme, immunité, etc.). Une coordination avec le professeur de physique-chimie est de ce fait à rechercher, à la fois pour assurer une articulation dans le temps des enseignements, et pour bien faire prendre conscience aux élèves de l’interaction des savoirs disciplinaires : c’est une dimension importante de la culture d’un adolescent quittant le collège » (Introduction aux programmes de SVT, octobre 1998).
La vie du cosmonaute en milieu confiné correspond à une situation où ces besoins sont aisément explicitables. « ...Les études s’appuient sur les acquis des élèves en physique-chimie : atomes, molécules, réactions chimiques, conservation de la matière, etc. ».
Ainsi, les objectifs sont clairs : les matières consommées, issues des végétaux cultivés dans la capsule, ont une composition moléculaire explicitée et cette composition, globalement, doit être exactement identique à la composition globale moléculaire du consommateur, la masse du cosmonaute étant constante. Finalement, la modélisation de la matière alimentaire (effectuée explicitement au niveau moléculaire, en cours de biologie à partir des connaissances de chimie) permet de dire que s’alimenter consiste en une absorption et une utilisation de molécules et donc d’atomes, compensées par un rejet des mêmes atomes sous différentes formes moléculaires tels le dioxyde de carbone et l’eau (ne rejette-t-on pas plus d’eau que nous en avons absorbée sous forme liquide ? Voir l’équation stœchiométrique qui sera mieux comprise en classe terminale S).
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