Seconde, Première spécialité

Du microscope virtuel au microscope réel

Adaptable tous niveaux

Cette proposition de séquence pédagogique s’inscrit dans les Travaux Académiques Mutualisés (TraAM) 2021-2022 ayant pour thématique : « Articuler numérique et réel, en présentiel et en distanciel, en synchrone et en asynchrone ».
La problématique du projet versaillais décline ce sujet sous l’angle des compétences et démarches expérimentales : Comment le numérique peut-il contribuer au développement des compétences ciblées, renforcer le suivi des apprentissages, permettre de renforcer les mises en œuvre pratiques en classe et d’assurer une complémentarité entre des activités réalisées en synchrone et en asynchrone dans la classe et à distance ?
L’ensemble des projets est accessible via l’article central : « Présentation du projet TraAM 2021-2022 de l’académie de Versailles ».
Le scénario pédagogique présenté dans cet article est une proposition, dont tous les contenus restent adaptables aux pratiques pédagogiques de chaque enseignant.

lycée observation exemple d’activité expérimentation tice

Mis à jour le jeudi 11 juillet 2024 , par Bruno Boucher

Les différents confinements nous ont poussés à découvrir de nouveaux outils permettant autant que possible de déporter à distance des activités habituellement réalisées en classe. Parmi ces outils en ligne pouvaient être utilisés des microscopes virtuels, offrant l’observation plus ou moins réaliste de lames semblables à celles prévues en présence.
De retour en classe, peut-on continuer à utiliser ces outils, non pas en remplacement mais en complément du réel ?

Professeur expérimentateur

Bruno BOUCHER, au lycée Camille Claudel de Vauréal (Val d’Oise)

MOTIVATION
Pourquoi l’utilisation du microscope, si emblématique de notre discipline, reste-t-elle souvent si difficile pour les élèves ? L’observation de lames cumule au moins deux difficultés : technique : les élèves ne savent pas ou peu utiliser un microscope. Ils le font plusieurs fois au cours de leur scolarité du collège au lycée mais insuffisamment fréquemment. conceptuelle : les élèves ne savent pas ce qu’ils doivent trouver, parfois parce qu’ils connaissent la notion de cellule mais ne se la sont pas assez appropriée pour l’appliquer et reconnaître une cellule lorsqu’ils l’ont sous les yeux. Cette difficulté peut se trouver augmentée lorsque c’est l’élève lui-même qui fait la préparation car elle ne sera pas toujours favorable. Pour surmonter la première difficulté, on a proposé dans les séquences présentées ci-dessous la révision de l’utilisation du microscope sous forme de test dans un parcours de la plateforme moodle académique Eléa. Le test sous forme de Jeu du millionnaire a été ci-dessous reproduit avec LearningApps. Mais ce n’est pas ce que nous développerons ici. Sur ce point voir aussi Un chatbot pour renforcer l’autonomie de l’élève dans l’utilisation du microscope Pour surmonter la seconde difficulté, on propose de passer par un microscope virtuel afin de préparer l’observation du réel, l’intérêt étant de s’affranchir de l’obstacle technique dans un premier temps avant d’y revenir. Il s’agit donc de dissocier les deux difficultés. Pour préparer l’observation d’une lame réelle, on invite donc les élèves à observer une lame virtuelle en se posant les questions suivantes : Qu’est-ce qu’une cellule dans ce que j’observe ? Suis-je capable de la délimiter ? A quelle échelle / quel grossissement dois-je aller pour voir cette cellule ?

MOTIVATION

Pourquoi l’utilisation du microscope, si emblématique de notre discipline, reste-t-elle souvent si difficile pour les élèves ?
L’observation de lames cumule au moins deux difficultés :

technique : les élèves ne savent pas ou peu utiliser un microscope. Ils le font plusieurs fois au cours de leur scolarité du collège au lycée mais insuffisamment fréquemment.
conceptuelle : les élèves ne savent pas ce qu’ils doivent trouver, parfois parce qu’ils connaissent la notion de cellule mais ne se la sont pas assez appropriée pour l’appliquer et reconnaître une cellule lorsqu’ils l’ont sous les yeux.
Cette difficulté peut se trouver augmentée lorsque c’est l’élève lui-même qui fait la préparation car elle ne sera pas toujours favorable.

Pour surmonter la première difficulté, on a proposé dans les séquences présentées ci-dessous la révision de l’utilisation du microscope sous forme de test dans un parcours de la plateforme moodle académique Eléa.
Le test sous forme de Jeu du millionnaire a été ci-dessous reproduit avec LearningApps.

Mais ce n’est pas ce que nous développerons ici. Sur ce point voir aussi Un chatbot pour renforcer l’autonomie de l’élève dans l’utilisation du microscope

Pour surmonter la seconde difficulté, on propose de passer par un microscope virtuel afin de préparer l’observation du réel, l’intérêt étant de s’affranchir de l’obstacle technique dans un premier temps avant d’y revenir. Il s’agit donc de dissocier les deux difficultés.
Pour préparer l’observation d’une lame réelle, on invite donc les élèves à observer une lame virtuelle en se posant les questions suivantes :

Qu’est-ce qu’une cellule dans ce que j’observe ? Suis-je capable de la délimiter ?
A quelle échelle / quel grossissement dois-je aller pour voir cette cellule ?

Handi-accessibilité
Les microscopes virtuels peuvent constituer un support intéressant en situation de déficience visuelle.

Une séquence en Seconde

Caractéristiques

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné	Seconde
Partie du programme	La Terre, la vie et l’organisation du vivant - L’organisation fonctionnelle du vivant - L’organisme pluricellulaire, un ensemble de cellules spécialisées

PLACE DANS LA PROGRESSION
Un exemple d’unicellulaire, l’euglène, a déjà été étudié dans sa structure et son métabolisme. L’utilisation du microscope a été revue à cette occasion.

PROBLÈME À RÉSOUDRE
« Comment les cellules du plant de pomme de terre réalisent-elles la synthèse et le stockage de matière organique ? »

NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, compétences
Notions	Chez les organismes pluricellulaires, les organes sont constitués de cellules spécialisées formant des tissus
Compétences ou Capacités expérimentales	Réaliser et /ou observer des préparations microscopiques montrant des cellules animales ou végétales

Cadre de référence des compétences numériques (CRCN)
	Évoluer dans un environnement numérique

Déroulement de la séquence

ACTIVITÉ
Durée : Le TP dans son ensemble se déroule sur 3 semaines. L’observation de la feuille d’élodée en elle-même ne prend qu’une trentaine de minutes. – étape 1 : 15 minutes en amont de la séance - utilisation du microscope virtuel – étape 2 : 30 minutes - préparation et observation de la feuille d’élodée Horaire total : 45 minutes	Coût : 6 à 10 euros	Sécurité : précautions liées à l’utilisation de l’eau iodée - blouse, gants et lunettes

Outils numériques et ressources
Microscope virtuel : https://www.ncbionetwork.org/iet/microscope/ proposé par ncbionetwork.

Déroulement détaillé

L’activité s’intègre au sein d’un plan de travail sur l’étude du plan de pomme de terre. L’euglène ayant été étudié au préalable, les élèves ont revu l’utilisation du microscope ainsi que la structure de la cellule et découvert l’ExAO pour déterminer un métabolisme.
La révision de l’utilisation du microscope et la découverte de l’ExAO ont été faites à la maison sous forme de test dans un parcours sur la plateforme moodle académique Eléa.

Sur ce point voir aussi Un chatbot pour renforcer l’autonomie de l’élève dans l’utilisation du microscope

Les élèves ont 3 semaines pour mener la même étude sur les cellules de deux organes du plan de pomme de terre : la feuille et le tubercule. Microscope et chaîne ExAO sont à disposition pour 3 semaines consécutives.

Plan de travail Pluricellulaires

La plan de travail précise que l’utilisation du microscope virtuel doit précéder l’observation de la feuille.
Un bref mode d’emploi est fourni, le logiciel étant en anglais.

La question accompagnant cette préparation est de déterminer quel objectif permet le mieux de voir une cellule.

Les vidéos de révisions restent accessibles pendant le TP.
La coupe fine d’une feuille de plant de pomme de terre étant difficile à mettre en œuvre, ce sont des feuilles d’Elodée qui sont fournies.

Les mêmes élèves de Seconde retrouveront un autre microscope virtuel pour le thème sur la procréation :

Coupe d’ovaire prépubère
Coupe d’ovaire après la puberté
Coupe de testicule prépubère
Coupe de testicule après la puberté
Un intérêt est qu’il nous donnera accès à des lames dont nous ne disposons pas au lycée.

Une séquence en Première

Caractéristiques

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné	Première
Partie du programme	La Terre, la vie et l’organisation du vivant - Transmission, variation et expression du patrimoine génétique - Les divisions cellulaires des eucaryotes

PLACE DANS LA PROGRESSION
L’activité prend place dans une séquence sur la transmission à l’identique de l’information génétique au cours du cycle cellulaire. Elle fait suite à l’étude de la modalité de la réplication qui produit deux chromatides identiques.

PROBLÈME À RÉSOUDRE
« Comment l’information génétique est-elle répartie équitablement entre les cellules filles » ?

NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, COMPETENCES
Notions	À chaque cycle de division cellulaire, chaque chromosome est dupliqué et donne un chromosome à deux chromatides, chacune transmise à une des deux cellules obtenues. C’est la base de la reproduction conforme. Chez les eucaryotes, les chromosomes subissent une alternance de condensation/décondensation au cours du cycle cellulaire. La division cellulaire mitotique est une reproduction conforme. Toutes les caractéristiques du caryotype de la cellule parentale (nombre et morphologie des chromosomes) sont conservées dans les deux cellules filles.
Compétences ou Capacités expérimentales	Réaliser et observer des préparations au microscope de cellules eucaryotes en cours de division, colorées de manière à faire apparaître les chromosomes.

NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, COMPETENCES

Notions

À chaque cycle de division cellulaire, chaque chromosome est dupliqué et donne un chromosome à deux chromatides, chacune transmise à une des deux cellules obtenues. C’est la base de la reproduction conforme.
Chez les eucaryotes, les chromosomes subissent une alternance de condensation/décondensation au cours du cycle cellulaire.
La division cellulaire mitotique est une reproduction conforme. Toutes les caractéristiques du caryotype de la cellule parentale (nombre et morphologie des chromosomes) sont conservées dans les deux cellules filles.

Compétences ou Capacités expérimentales

Réaliser et observer des préparations au microscope de cellules eucaryotes en cours de division, colorées de manière à faire apparaître les chromosomes.

Cadre de référence des compétences numériques (CRCN)
	Évoluer dans un environnement numérique

Déroulement de la séquence

ACTIVITÉ
Durée : – étape 1 : 15 minutes en amont de la séance - utilisation du microscope virtuel – étape 2 : 30 minutes - préparation et observation de la cellule de racine d’ail ou d’oignon Horaire total : 45 minutes	Coût : quelques euros pour les bulbes mis à germer	Sécurité : précautions liées à la coloration - blouse, gants et lunettes

Outils numériques et ressources
Microscope virtuel : https://www.ncbionetwork.org/iet/microscope/ proposé par ncbionetwork.

Déroulement détaillé

En préparation du TP, les élèves doivent utiliser le microscope virtuel pour répondre à quelques questions.

L’objectif sera de parcourir la lame virtuelle pour localiser la zone de la racine où se trouvent de nombreuses cellules en division, d’indiquer cette position sur l’image proposée, de noter l’objectif nécessaire pour bien observer une cellule, de situer l’épaisseur des coupes présentées un axe allant de
très fine à épaisse, d’en déduire la quantité de lumière nécessaire pour cette observation (axe faible à forte).

Préparation du TP Mitose

La fiche de préparation propose un bref mode d’emploi est fourni, le logiciel étant en anglais.

Le TP est ensuite assez classique.
La problématique étant de comprendre comment l’information génétique est partagée à l’identique entre les cellules filles :

Formulation d’une hypothèse : à partir de paires de chaussettes qu’ils ont apportées, les deux chaussettes d’une même paire représentant les deux chromatides d’un même chromosome, les élèves essaient d’imaginer un mécanisme par lequel chaque cellule fille pourra recevoir la même information en se positionnant sur un grand schéma avec une cellule mère et deux cellules filles.
Ils peuvent en complément se référer à une vidéo de cellule en mitose et à une animation.
Mise en œuvre d’un protocole : préparation, coloration et observation de cellules de racines d’ail ou d’oignon. Des lames de secours sont proposées.
Présentation des résultats : un dessin d’observation d’une cellule en division est demandé, complété par des schémas de cellules en division à remettre dans l’ordre.
Exploitation des résultats : une réponse à la problématique est demandée, en s’appuyant sur l’ajout de deux gènes A et B sur les schémas.

Dans le même ordre d’idée, les mêmes élèves de Première Spécialité ont pu préparer l’observation de frottis sanguins dans le cadre du thème sur l’Immunité à l’aide de cet autre microscope virtuel :
http://acver.fr/virtual-blood
Le même peut s’utiliser dans le cadre d’un TP drépanocytose.

Ils retrouveront un microscope virtuel mais polarisant pour le thème de géologie : https://www.virtualmicroscope.org/content/uk-virtual-microscope

Focus sur un outil : le microscope virtuel

On postulera qu’un microscope virtuel correspond à une préparation microscopique numérisée à assez haute résolution pour pouvoir être explorée et supporter un fort niveau de zoom, afin de simuler les étapes de l’observation telle qu’on la ferait sur une lame réelle. Ceci pour distinguer d’une simple photographie.

Tous les microscopes virtuels ne présentent pas la même interface. Beaucoup se limitent à un simple zoom qui peut se faire avec la molette de la souris ou des boutons + et -.
D’autres, comme ceux présentés ci-dessus, simulent les étapes de l’utilisation d’un microscope, avec les changements d’objectifs et la mise au point.
Exemple de deux lames de racine d’Oignon :

Avec simulation	Sans simulation
https://www.ncbionetwork.org/iet/microscope/ Mesurim 2 propose maintenant aussi une interface simulant l’utilisation d’un microscope Exemple de la racine d’Ail.	http://acver.fr/lame-mitose

On peut en trouver aujourd’hui un certain nombre en ligne en cherchant "virtual microscop" ou "virtual slide".
En voici quelques exemples, à explorer car les lames disponibles et l’interface varient. Toutes sont néanmoins assez riches :

Microscope virtuel	Localisation du serveur	Caractéristiques
https://www.ncbionetwork.org/iet/microscope/	Etats-Unis	Véritable simulation des étapes de l’utilisation d’un microscope, avec des messages d’erreur en cas de mauvaise manipulation. Les exemple des lames sont peu nombreux. Elle est utilisable pour préparer l’observation de la cellule de feuille d’Élodée ou de la racine d’Oignon, ainsi que les phases de division chez un poisson
https://learn5.open.ac.uk/mod/htmlactivity/view.php?id=19	Royaume Uni	Véritable simulation des étapes de l’utilisation d’un microscope et présentant une banque assez riche en histologie de tissus sains mais aussi de pathologie (drépanocytose et malaria sont proposés dans les frottis sanguins par exemple).
https://www.virtualmicroscope.org/content/uk-virtual-microscope	Royaume Uni	Pour la géologie, ce microscope propose de nombreuses lames minces, parfois accompagnées de l’échantillon macroscopique en 3D. L’interface permet de passer de LPNA à LPA et souvent certains points de la lame permettent la rotation, grosse plus value par rapport à une simple image.
https://www.histologyguide.com/slidebox/slidebox.html	États-Unis	Nombreux organes, dont ovaires et testicules, thymus, muscle, nerf, poumons, artères et veines, œil. L’interface n’est pas une simulation mais des boutons en bas d’écran permettent de changer d’objectif et d’avoir une idée du grossissement. Un commentaire à droite (en anglais) apporte des précisions et permet en cliquant d’aller directement à un point de la lame. Elle comporte aussi une banque d’images au microscope électronique : https://histologyguide.com/EM-atlas/EM-atlas.html
Indiana University School of Medicine virtual microscopy	Etats Unis	Nombreuses organes mais donne aussi accès à des lames de pathologies Par exemple : Anémie falciforme , Malaria. L’interface est assez limitée (zoom/dézoom).
https://www.chec.works/atlasweb/	France	Nombreux organes, dont ovaires et testicules, thymus, muscle, nerf, poumons, artères et veines. L’interface est limitée (zoom/dézoom) mais avant d’accéder à la lame on passe par une page qui indique les points d’intérêt.
https://doc-pedagogie.umontpellier.fr/medecine/histologieLV/index.php	France	Nombreux organes, dont ovaires et testicules, thymus, muscle, nerf, poumons, artères et veines, en histologie mais aussi en pathologie. L’interface est assez limitée (zoom/dézoom).
Mesurim 2	France	Lames dont certaines sont des classiques de nos TP (racines d’ail et d’oignon, ovaire, utérus). L’interface simule les étapes de l’utilisation du microscope.

Avantages / Plus-values :

Les microscopes virtuels sont souvent faciles à prendre en main et proposent des bibliothèques de lames très riches, en anatomie comme en pathologie.
Ils peuvent permettre d’observer des lames dont nous ne disposons pas au laboratoire.

Points de vigilance

Dans l’optique de préparer l’observation d’une lame réelle, il faut trouver dans l’idéal des lames virtuelles avec la même coloration que celle utilisée en classe.
La diversité des microscopes, choisis en fonction de des lames pertinentes, peut amener à rencontrer une diversité des interfaces, de nature à perdre les élèves. Ils ne peuvent pas s’approprier UN outil.
Beaucoup sont en anglais. Ce n’est pas un problème pour les interfaces les plus simples mais cela peut ajouter une difficulté
Se pose la question du RGPD lorsque ces microscopes virtuels sont hébergés en dehors de l’Union Européenne. Cela peut amener à devoir les utiliser plutôt en classe et non à la maison en amont de la séance.

Retours, analyse et pistes d’amélioration

RETOUR DES IMPRESSIONS DES ÉLÈVES
L’utilisation avec les Secondes a été perturbée par le fait que le site était en anglais. Dans le cadre de leur travail en autonomie, n’ayant pas trouvé comment le mettre en français, beaucoup se sont arrêtés là. Cela rend difficile l’exploitation du retour pour ces classes. Les retours ci-dessous correspondent à ceux des élèves de Première Spécialité, moins nombreux mais qui ont utilisé plus souvent les microscopes virtuels. Les questions ont été soumises via un formulaire sur l’ENT.
Une première partie du formulaire porte sur l’utilisation du microscope virtuel et son apport éventuel. Ce qui en ressort :
	La préparation avec la lame virtuelle les a effectivement aidés à observer la lame réelle car ils savaient ce qu’il fallait chercher.
	Le microscope virtuel est plus simple.
Une deuxième partie porte sur la perception de la lame virtuelle par rapport au réel. On se place ici dans le cadre de la construction d’un savoir scientifique et du statut donné à chacun des supports proposés.
	On voit que pour certains de ces élèves, mais pas la majorité, ce serait plus simple de juste utiliser le microscope virtuel (voire les images du manuel) à la place du réel.
Cela interroge sur la place du réel et du pratique dans l’esprit de ces élèves, peut-être plus fragiles, qui se contenteraient de la transmission à travers des supports plus simple d’accès. C’est un fait qu’une observation au microscope est plus difficile à didactiser qu’un graphique. Elle est par nature assez brute, en particulier lorsque l’élève doit faire la préparation lui-même. Cela appelle d’une part à insister sur l’importance du réel dans la construction du savoir, d’autre part à rechercher des moyens pour réduire l’insécurité de certains élèves face au réel brut. Ici le recours au numérique avec une caméra et un logiciel dédié permettrait à l’enseignant d’accompagner l’interprétation de l’observation.

ANALYSE ET ÉVALUATION DU DISPOSITIF
Plus-values dégagées	préparation du geste technique par une simulation dans certains microscopes virtuels qualité des images des microscopes virtuels, qui permet de contourner la difficulté de la préparation. facilitation de l’observation de la lame réelle par le repérage du grossissement pertinent et de l’objet à observer. Cette préparation de l’observation permet de souligner des questions à se poser avec le microscope : qu’est-ce que je recherche (une cellule ? Un tissu ? Une molécule colorée au sein d’une cellule ?) ? Quelle est alors l’objectif pertinent ? Trop souvent en effet les élèves semblent partir au hasard dans l’observation, s’arrêtant dès qu’ils voient quelque chose à peu près clairement même si c’est totalement informe, ou bien enchaînant les objectifs sans se poser de question. Dans le cas particulier des microscopes polarisants pour les lames minces en géologie, il a été possible de passer d’abord par un microscope virtuel pour identifier les minéraux AVANT de demander de retrouver ces minéraux sur les lames réelles.
Difficultés rencontrées	interfaces en anglais qui peuvent bloquer les élèves diversité des sites utilisés questionnement sur la place du réel pour certains élèves : pourquoi s’embêter à faire une observation en vrai alors que c’est plus facile en virtuel ?
Pistes d’amélioration	On a proposé ici d’utiliser les lames virtuelles en préparation obligatoire de l’observation de la lame réelle. On pourrait utiliser ces mêmes outils dans le cadre d’une différenciation en y amenant les élèves lorsque se présente une difficulté sur la lame réelle. Aidesà l’observation de la diorite Sur l’écran, l’enseignant pourrait alors analyser avec l’élève les obstacles à la réussite de l’observation réelle.

ANALYSE ET ÉVALUATION DU DISPOSITIF

Plus-values dégagées

préparation du geste technique par une simulation dans certains microscopes virtuels
qualité des images des microscopes virtuels, qui permet de contourner la difficulté de la préparation.
facilitation de l’observation de la lame réelle par le repérage du grossissement pertinent et de l’objet à observer.
Cette préparation de l’observation permet de souligner des questions à se poser avec le microscope : qu’est-ce que je recherche (une cellule ? Un tissu ? Une molécule colorée au sein d’une cellule ?) ? Quelle est alors l’objectif pertinent ? Trop souvent en effet les élèves semblent partir au hasard dans l’observation, s’arrêtant dès qu’ils voient quelque chose à peu près clairement même si c’est totalement informe, ou bien enchaînant les objectifs sans se poser de question.

Dans le cas particulier des microscopes polarisants pour les lames minces en géologie, il a été possible de passer d’abord par un microscope virtuel pour identifier les minéraux AVANT de demander de retrouver ces minéraux sur les lames réelles.

Difficultés rencontrées

interfaces en anglais qui peuvent bloquer les élèves
diversité des sites utilisés
questionnement sur la place du réel pour certains élèves : pourquoi s’embêter à faire une observation en vrai alors que c’est plus facile en virtuel ?

Pistes d’amélioration

On a proposé ici d’utiliser les lames virtuelles en préparation obligatoire de l’observation de la lame réelle.
On pourrait utiliser ces mêmes outils dans le cadre d’une différenciation en y amenant les élèves lorsque se présente une difficulté sur la lame réelle.

Aidesà l’observation de la diorite

Sur l’écran, l’enseignant pourrait alors analyser avec l’élève les obstacles à la réussite de l’observation réelle.

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