La respiration et l`air. - Ecole des mines de Nantes

LA MAIN A LA PATE®
La respiration et l’air
Cycle 3
La respiration et l’air.
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
1
LA MAIN A LA PATE®
La respiration et l’air
Cycle 3
La respiration et l’air.
PROGRESSION GENERALE
Séance n°1 :
Questionnement initial sur la respiration.
Première phase : quelques caractéristiques de la respiration
Séance n°2 :
Mesure et comparaison des rythmes de respiration dans différentes situations.
Séance n°3
Mesure et comparaison des volumes inspirés et des volumes expirés pour différentes personnes.
Deuxième phase : air inspiré et air expiré
Séance n°4 :
Mise en place d’une expérience qui montre que l’air expiré est plus humide et plus chaud que
l’air inspiré.
Séance n°5 :
Mise en place d’une expérience qui montre que l’air expiré contient plus de dioxyde de carbone.
Séance n°6 :
Mise en place d’une expérience qui montre que l’air expiré contient moins de dioxygène.
Troisième phase : le fonctionnement de la respiration
Séance n°7 :
A partir des connaissances, des observations des élèves et de documents mis à leur disposition,
organisation d’une séance de recherche pour comprendre le fonctionnement de la respiration
chez l’homme.
Séance n°8 :
Mise en place d’une expérience pour comprendre le fonctionnement du diaphragme.
On pourra se référer pour ce thème aux fiches connaissances suivantes qui se trouvent sur le site Internet du M.E.N
et dont l’adresse est http://www.eduscol.education.fr/D0027/EXSREN02.htm :
- Air
- Fonctions communes des êtres vivants
- Nutrition animale et humaine: respiration et circulation
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
2
La respiration et l’air.
LISTE DE MATERIEL
Pour une classe de 30 élèves (7 groupes) :
•
7 chronomètres
•
7 bassines (environ 10L) (de la classe)
•
7 thermomètres
•
14 bouts de tuyau souples transparents (∅ = 6 mm, l = 40 cm)
•
40 ballons de baudruche (dont 10 grands)
•
7 bocaux en verre avec couvercles (à apporter de la maison)
•
14 grands bocaux en verre (à apporter de la maison)
•
14 petites bougies
•
40 pailles
•
1 chou rouge (pour récupérer le jus) (à apporter par l’enseignant)
•
14 bouteilles en plastique de grande contenance (5L) (à apporter de la maison)
•
7 bouteilles en plastique (1,5L) (à apporter de la maison)
•
7 verres-mesureurs (à apporter de la maison)
•
Pâte à modeler ou colle (de pistolet)
•
7 silhouettes du corps humain (fournies par l’enseignant)
•
Des images d’organes du corps humain (fournies par l’enseignant)
•
De la documentation sur la respiration (fournies par l’enseignant)
•
Des schémas du fonctionnement des poumons à compléter (fournies par l’enseignant)
•
7 tapis de souris (à apporter de la maison)
•
des allumettes
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
3
LA RESPIRATION ET L’AIR
(Cycle 3)
Place dans le programme :
Le corps humain et l’éducation à la santé. L’éducation à la santé est liée à la découverte du
fonctionnement du corps en privilégiant les conditions de maintien du corps en bonne santé :
- première approche des fonction de nutrition (digestion, respiration et circulation).
1.
QUESTIONNEMENT INITIAL (séance1)
Objectifs:
Recueillir les conceptions et connaissances initiales des élèves.
Vocabulaire :
Air, cœur, inspiration, organes vitaux, poumons, respiration, souffle.
Déroulement :
L’enseignant remarque, par exemple après une séance de sport ou une course dans la cour de
récréation, que certains élèves sont essoufflés, d’autres non. Il cherche alors à savoir ce que les
élèves pensent à propos de leur respiration (ou ventilation, la respiration étant une fonction
caractérisée par des échanges gazeux). Savent-ils ce que représente ce mot ? On peut également
introduire les termes : inspiration, expiration, souffle, etc. Que devient l’air qu’ils inspirent ? À
quoi leur sert la respiration ? Peut-on arrêter de respirer ? Est-ce que tous les êtres vivants
(animaux , végétaux, humains) respirent ? Si oui, respirent-ils de la même façon ?
L’enseignant trie les remarques des élèves entre ce qu’ils pensent savoir, et les questions qu’ils
se posent.
2.
QUELQUES CARACTERISTIQUES DE LA RESPIRATION
2.1
Les rythmes de respiration (séance 2)
Objectifs :
Recueillir des observations simples sur soi et établir des mesures dans le temps.
Différencier rythme respiratoire et rythme cardiaque.
Vocabulaire :
Rythme cardiaque, rythme respiratoire.
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
4
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
•
1 chronomètre
Déroulement :
On peut commencer par une discussion autour de l’air, et en particulier de l’air que l’on
respire. Le problème qui se pose alors et que l’on aimerait résoudre est : est-ce que l’on respire
tous de la même façon (c’est-à-dire « respirer plus ou moins vite »)? L’enseignant définit les
mots expiration et inspiration (action de rejeter ou d’aspirer de l’air).
Il recueille ensuite les idées des élèves et leur propose de les tester. On peut par exemple
compter le nombre d’inspirations ou d’expirations effectuées pendant 1 minute (chronométrées
par un élève).
Puis les élèves sont répartis en groupes et ils mesurent leurs rythmes de respiration (ou cycle
respiratoire) dans différentes situations : au repos, après un effort (par exemple 10 flexions),
debout, allongé. On pourra utiliser le tableau suivant :
Prénom de
l’élève
Nombre
Nombre
Nombre
Nombre
d’inspiration par d’inspiration par d’inspiration par d’inspiration par
minute au repos minute au repos minute au repos minute debout
assis
debout
allongé
après 10 flexions
Elève 1
20
24
18
29
Elève 2
21
22
19
33
Elève 3
24
23
20
32
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
Selon les demandes des élèves et selon le nombre d’élèves concernés, on peut tenter d’établir des
moyennes : le nombre moyen de d’expiration par minute des garçons, des filles. En faisant
participer les parents à la maison, on peut également comparer les rythmes de respiration des
enfants et des adultes (en moyenne, les adultes respirent à un rythme de 14 cycles respiratoires
par minute au repos, les nouveau-nés à 40 cycles par minute).
On terminera la séance en comparant les rythmes de respiration mesurés à ceux des battements
du cœur.
2.2
Volume inspiré et volume expiré (séance 3)
Objectifs :
Mettre en place une expérience simple pour effectuer des mesures de volumes d’air.
Mesurer les volumes d’air expiré et inspiré.
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
5
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
•
2 bouteilles d’eau
•
1 verre mesureur
•
1 bac plastique
•
2 tuyaux souples en plastique
Déroulement :
Lors de la première séance est peut-être apparue la question suivante : le volume d’air que l’on
inspire est-il le même que le volume d’air que l’on expire ? Cette séance a donc pour but d’y
répondre en s’appuyant sur les réponses des élèves. Cette question fait donc l’objet d’une
discussion en début de séance. L’enseignant pourra lancer le défi suivant : comment mesurer la
quantité d’air expiré et inspiré ?
Les propositions tournent en général autour de l’idée de mesurer et comparer les volumes d’air
expiré et inspiré. Quelles expériences peut-on mettre en place ? L’enseignant peut suggérer les
expériences suivantes (il faudra penser à choisir une bouteille et un bac avec une grande
contenance) :
Fixation
étanche
Bouteille
pleine d’eau
au départ
Air expiré :
on souffle
Bouteille
pleine d’air
au départ
Air inspiré :
on aspire
Eau
Mesure de l’air expiré
Mesure de l’air inspiré
Pour quantifier le volume, on pourra utiliser un verre mesureur dans lequel on transvasera l’eau
restant dans la bouteille. Comme pour les rythmes de respiration, on pourra éventuellement
comparer les résultats pour les garçons et les filles, ou pour les enfants et les parents.
Les mesures de volumes d’air sont approximatives. Il ne s’agit pas ici de faire une mesure très
précise mais plutôt de constater des différences entre individus ou entre les quantités d’air expiré
et inspiré.
Il est intéressant de demander aux élèves avant l’expérience quelle quantité d’air ils peuvent
rejeter ou aspirer : on est souvent loin des résultats expérimentaux obtenus.
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
6
3.
CARACTERISATION DE L’AIR INSPIRE ET DE L’AIR EXPIRE
3.1
Leur température et leur humidité (séance 3)
Objectifs :
Montrer par une expérience simple que l’air expiré est plus chaud et plus humide que l’air
inspiré. Comprendre que l’air expiré est constitué différemment de l’air inspiré.
Vocabulaire :
Température, humidité, comdensation
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• 1 thermomètre
•
1 vitre de la classe (fenêtre)
Déroulement :
L’enseignant demande d’abord aux élèves si c’est le même air qui sort et qui rentre lorsque l’on
respire : « y a-t-il une différence entre l’air expiré et l’air inspiré ». Les élèves peuvent sentir les
mouvements d’air en mettant la main devant la bouche. Si oui, comment mettre en place des
expériences pour trouver les différences entre l’air inspiré et l’air expiré ? L’enseignant recueille
les idées des élèves et propose qu’ils les testent par une expérience simple. Ils pourront par
exemple comparer l’humidité et la température dans les deux cas.
Pour la température : on peut proposer aux
élèves de souffler sur un thermomètre et
d’observer que l’air expiré est plus chaud que
l’air ambiant, qui est celui que l’on inspire.
On pourra se poser les questions : qu’est-ce
qui fait que l’air expiré est plus chaud que
l’air inspiré. D’où vient cet échange de
chaleur ?
Plaque de verre sur
laquelle on souffle (par
exemple les fenêtres
de la classe)
3.2
Pour l’humidité : on peut proposer aux élèves de
« souffler » (d’expirer) sur une vitre en verre. Il
se forme de la buée, donc l’air expiré est plus
humide que l’air inspiré. Ils pourront se rappeler
de la brume que l’on observe en hiver lorsque
l’on expire (phénomène de condensation).
L’air expiré contient plus de dioxyde de carbone que l’air inspiré (séance 5)
Objectifs :
Introduire les différents gaz contenus dans l’air.
Comprendre que l’air expiré n’est pas exactement le même que l’air inspiré.
Découvrir que le gaz carbonique (ou dioxyde de carbone) intervient dans la respiration.
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
7
Vocabulaire :
Gaz, dioxygène, diazote, dioxyde de carbone.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• 1 bocal avec couvercle étanche
•
2 pailles
•
Du jus de chou rouge (il suffit de faire chauffer quelques feuilles dans de l’eau du robinet)
Déroulement :
Les élèves s’interrogent sur ce qu’il y a « dans l’air ». Est-il composé de plusieurs gaz? Quels
sont ces gaz ? L’enseignant pourra introduire les noms de certains gaz contenus dans l’air :
l’oxygène (ou dioxygène) et le dioxyde de carbone. Les élèves connaissent-ils ces gaz ?
L’enseignant demande alors : à votre avis, est-ce que l’on trouve les mêmes gaz dans l’air que
l’on inspire et dans l’air que l’on respire ? Quelles expériences peut-on réaliser pour le savoir ?
L’enseignant peut suggérer d’utiliser un indicateur de présence de gaz carbonique : il s’agit du
jus de choux rouge. En fait cet indicateur a la propriété, en solution, de changer de couleur selon
la teneur en acide du milieu. Lorsque l’on souffle dans une solution de jus de choux rouge, le
dioxyde de carbone contenu dans l’air expiré se dissout pour former un composé acide qui en fait
provoque le changement de coloration de la solution (cette notion d’acidité n’est pas à expliquer
aux élèves). Le passage d’un air chargé en dioxyde de carbone fait virer la solution du bleuviolet au rouge-rose. La présence de dioxyde de carbone en quantité suffisante est donc de cette
manière indirectement détectée dans le jus de choux rouge.
Après avoir demander aux élèves d’imaginer un dispositif permettant à l’air expiré ou
inspiré de traverser le jus de chou rouge (sous forme de dessins par exemple), les élèves réalisent
l’expérience suivante :
Air inspiré :
on aspire
Couvercle
étanche
percé
Air expiré :
on souffle
paille
bocal
Jus de choux rouge
Pas de changement de coloration
Changement de coloration : le jus de chou
rouge vire au rouge-rose
L’enseignant doit veiller à ce que les élèves n’aspirent pas le jus de chou.
Dans cette expérience le changement de couleur du jus de chou rouge permet de dire que l’air
expiré contient plus de gaz carbonique que l’air inspiré mais ne suffit pas à caractériser la
présence exclusive de gaz carbonique. Pour plus de rigueur, il faudrait utiliser de l’eau de chaux.
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
8
3.3
L’air expiré contient moins de dioxygène que l’air inspiré (séance 6)
Objectifs :
Introduire les différents gaz contenus dans l’air.
Comprendre que l’air expiré est constitué différemment de l’air inspiré.
Découvrir quels gaz interviennent dans la respiration.
Vocabulaire :
Combustion, composition de l’air.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• 1 chronomètre
•
•
2 petites bougies
1 tapis de souris (support étanche)
•
2 grands bocaux en verre
•
des allumettes
Déroulement :
L’enseignant rappelle le résultat de la séance précédente : l’air expiré contient plus de
dioxyde de carbone que l’air inspiré. Lors de la séance précédente, les élèves ont évoqué
l’oxygène, un gaz qui intervient dans la respiration. L’enseignant demande alors comment savoir
s’il y a autant d’oxygène dans l’air expiré que dans l’air inspiré ? Comme précédemment, il peut
suggérer aux élèves d’utiliser un dispositif permettant de dire « s’il y a plus ou moins de
dioxygène ». Par exemple, pour que une bougie brûle, il lui faut du dioxygène. L’enseignant
propose ensuite aux élèves d’imaginer une expérience (avec une bougie) qui donne une
information sur la quantité de dioxygène contenu dans l’air expiré et dans l’air inspiré.
Puis les élèves pourront réaliser l’expérience suivante :
Air expiré
Air ambiant
ou inspiré
Bocal en
verre
retourné
Tapis de
souris
La bougie brûle plus longtemps dans l’air ambiant : il y a plus de dioxygène. On peut alors
énoncer le bilan des 2 séances : lors de la respiration, on consomme du dioxygène et on fabrique
du dioxyde de carbone. On peut simplifier l’expérience en retournant simplement les deux
bocaux en même temps sur deux bougies identiques. Il est nécessaire de réaliser l’expérience
plusieurs fois car le temps de la mesure est très court (quelques secondes).
Pour récupérer l’air expiré
dans un bocal, on peut utiliser la
technique de remplissage suivant
dans un récipient contenant de
l’eau
Bocal retourné et
rempli d’eau dans
lequel on souffle
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
Air expiré
9
Il ne s’agit pas ici de faire un parallèle entre la combustion et la respiration qui sont deux
phénomènes physico-chimiques différents mais d’utiliser la combustion d’une bougie pour
montrer que l’air expiré ou inspiré contient plus ou moins de dioxygène, gaz qui intervient aussi
dans la respiration.
4.
LA DESCRIPTION DE LA RESPIRATION
4.1
Détermination du trajet de l’air et des organes mis en cause dans la respiration
(séance 7)
Objectifs :
Recueillir des observations simples sur soi, découvrir les organes qui interviennent dans la
respiration et déterminer le trajet de l’air.
Mener une recherche documentaire sur un thème précis.
Proposer des schémas explicatifs du fonctionnement de la respiration.
Vocabulaire :
Cœur, cage thoracique, organes, poumons, sang.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• 1 silhouette du corps humain (dessin)
•
• Des images d’organes du corps humain •
De la documentation sur la respiration
Des schémas du fonctionnement des poumons à
compléter
Déroulement :
1er temps : l’enseignant annonce que l’on va chercher à savoir
« ce qui se passe dans notre corps lorsque l’on respire ».
Il pose alors la question aux élèves : quelles observations
peut-on faire pour essayer de comprendre le fonctionnement
de la respiration ?
Après une phase de réflexion dans chaque groupe pendant
laquelle les élèves peuvent observer leur cage thoracique qui
se gonfle ou se dégonfle, l’enseignant peut présenter une
silhouette du corps humain (sur laquelle les organes ne seront
pas représentés). Il demande alors : savez-vous ce que nous
avons dans notre corps ? Les élèves peuvent citer les os, tous
types d’organes : le cœur, les poumons, l’estomac… et faire
des dessins.
L’enseignant peut alors produire des images de ces organes à
l’échelle. Si les élèves pensent qu’ils sont utilisés lors de la
respiration ; ils seront placées sur la silhouette à l’endroit
choisit par les élèves. Ce choix leur permettra ensuite de
déterminer le trajet de l’air et de dessiner sur la silhouette.
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
10
2nd temps : les élèves sont répartis en groupes et doivent
effectuer une recherche pour tenter d’apporter des
réponses aux questions qui ont été soulevées à la séance
précédente. Ils doivent pour cela utiliser les documents
qui seront mis à leur disposition : encyclopédies pour
élèves, articles de presse abordables et sélectionnés par
l’enseignant, livres explicatifs, éventuellement des sites
Internet pour les élèves…
Air inspiré :
entrée d’air
Après lecture des documents et dans chaque groupe les
élèves réalisent un schéma simple expliquant le principe
de fonctionnement des poumons.
Lors de la mise en commun, l’enseignant pourra, après
avoir recensé les points importants citées par les élèves,
proposer un schéma simple d’explication du
fonctionnement des poumons à compléter ou à légender
en commun. Quelques exemples de documents pour la
recherche :
•
Air expiré :
sortie d’air
Sites internet : http://www.cs-i.com/pediatrie/GPublic/anatomie_som.htm (site réalisé par
des pédiatres expliquant l’anatomie).
Sur la respiration en particulier, les pages :
http://www.wanadoo.fr/bin/frame2.cgi?u=http%3A//www.apreslecole.fr/index_centre.html (La
ZIGOTHEQUE : rassemble des sites pour élèves).
http://mtn-cremli.ac-nice.fr/~ordimad/arbre/presenta/index.htm (La liste des thèmes abordés sur
le site de l’école de Séranon, entre autres la respiration).
•
Livres : Sciences expérimentales et technologie : CE2, cycle 3 (Editions Bordas)
Sciences et technologie : cycle 3 Tournesol (Editions Hatier)
4.2
Compréhension du rôle du diaphragme (séance 8)
Objectifs :
Comprendre l’importance du rôle des muscles (et en particulier du diaphragme) pendant
l’inspiration et l’expiration. Suivre un protocole.
Vocabulaire :
Diaphragme, poumons.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• 1 bouteille en plastique
• 2 ballons de baudruche (1 petit et 1 grand)
•
•
1 paille
pâte à modeler ou colle (de pistolet)
Déroulement :
Suite à la recherche documentaire de la séance précédente, les élèves ont pu mettre en évidence
l’importance du diaphragme dans le mécanisme de la respiration. Comment pensent-ils que le
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
11
diaphragme puisse intervenir dans la respiration ? Parallèlement, savent-ils comment se gonflent
les poumons ? S’ils pensent que ceux-ci se gonflent avec l’air, on peut leur faire remarquer que
s’ils restent la bouche ouverte sans rien faire, l’air ne rentre pas tout seul dans les poumons. Ils
peuvent également sentir dans leurs corps que des éléments « bougent » quand ils respirent.
L’enseignant propose alors de réaliser un montage qui permet de visualiser l’action du
diaphragme. L’enseignant fournit un protocole pour réaliser le montage.
Paille
Pâte à modeler
qui sert de
joint étanche
Ballon attaché
sur la paille
Ballon coupé
et fixé sur la
bouteille
Bouteille
dont on a
coupé le fond
________________________
ficelle
La respiration – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
12