Cycle 4

Apport des réalités virtuelle et augmentée au service de la compréhension des phénomènes biologiques Des bruits du cœur au fonctionnement de la pompe cardiaque

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.

Lors des séquences portant sur la physiologie animale, les différentes approches expérimentales nécessaires à la compréhension du fonctionnement des organes font souvent appel aux dissections ou à l’observation d’organes inertes. Or, l’approche dynamique de l’étude de ces organes permet de concrétiser leur fonctionnement et de dépasser l’abstraction pour tendre vers le concret. Ainsi, le recours à des outils numériques faisant appel à la réalité virtuelle et augmentée peut apporter une réelle plus-value lors de ces séquences.

Professeur expérimentateur

Nicolas LEGLISE-BLANCHARD, au collège Robert DOISNEAU à ITTEVILLE (91)

Vidéo de présentation

Caractéristiques de la séquence

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné Cinquième ; cycle 4
Partie du programme Le vivant et son évolution : Les échanges de matière entre les organes des êtres vivants
PLACE DANS LA PROGRESSION
Cette séquence s’inscrit en fin de chapitre lorsque la physiologie végétale a été vue et lorsque les systèmes ouverts et clos des animaux ont été comparés.
MOTIVATION
Cette partie est développée afin de concrétiser la compréhension du fonctionnement du cœur des animaux, ici plus précisément du cœur humain en partant de connaissances préalables partagées par tous les élèves. L’approche anatomique permet d’identifier des structures avant d’en comprendre le fonctionnement et de finir par revenir au point de départ pour en donner l’explication.
Cela permet de déboucher sur la préservation nécessaire d’une bonne santé et d’un bon fonctionnement du système cardiovasculaire.
PROBLÈME À RÉSOUDRE
En quoi la compréhension du fonctionnement du cœur nous permet de comprendre les modalités de la circulation sanguine ?
NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, COMPÉTENCES
Notions Extrait du Bulletin officiel spécial n° 31 du 30 juillet 2020 :
Relier les besoins en nutriments et dioxygène des cellules animales et le rôle des systèmes de transport dans l’organisme.
Nutrition et organisation fonctionnelle à l’échelle de l’organisme, des organes, des tissus et des cellules (Ce thème se prête notamment aux observations à différentes échelles pour la constitution des organismes étudiés et la diversité du vivant).
Compétences ou Capacités expérimentales Pratiquer des démarches scientifiques :
Proposer une hypothèse pour répondre à une question.
Utiliser des techniques d’observation.
Communiquer sur les démarches, les résultats en argumentant.
Compétences transversales Pratiquer des langages : Lire et exploiter des données présentées sous différentes formes.
Développer l’autonomie des élèves.
Organiser et planifier son travail à la maison.
Cadre de référence des compétences numériques (CRCN)
  • S’insérer dans le monde numérique
  • Adapter les documents à leur finalité
  • Développer des documents textuels
  • Évoluer dans un environnement numérique

Déroulement de la séquence

Déroulement global de la séquence
ACTIVITÉ
Durée :
 étape 1 : Réalisation à distance du parcours Maskott (dont usage application VR) = 2h
 étape 2 : Réalisation de la dissection en classe + usage application AR = 1 h
Horaire total : 3 heures
Coût : 1.5 euros par cœur de porc Sécurité : Attention à la manipulation des outils de dissection ; port d’un vêtement de protection
Outils numériques et ressources
Maskott Tactileo : accessible depuis l’ENT « Mon collège ».

Applications mobiles :



Logo de l’application Anatomy AR



Handi-accessibilité
La réalisation du module sur un outil numérique permet facilement d’en agrandir le format d’affichage.

Déroulement détaillé de la séquence

Déroulement détaillé de la séquence

Le début de cette séquence a été réalisé à distance grâce à un module élaboré sur la plate-forme Maskott Tatileo. Après avoir précisé les pré-requis et posé le problème à résoudre j’ai pu recueillir les hypothèses des élèves, car toutes et tous savent quels bruits fait le cœur lorsqu’il fonctionne mais aucun n’est capable de dire ce à quoi correspondent ces bruits.

Pré-requis parcours Maskott

1ère partie : Composition et organisation du système circulatoire.

Cela permet d’avoir une approche globale de ce système et de préciser la place du cœur et son rôle. La consultation d’une vidéo laisse place à un exercice permettant de légender un schéma. En cas d’erreur, une autre vidéo est proposée puis un nouveau schéma.
Les vaisseaux arrivant au cœur ou partant du cœur sont distingués et identifiés et la séparation des deux types de sang est proposée.

Schéma à légender parcours Maskott

2ème partie : Anatomie du cœur.

Pour comprendre comment l’organisation interne du cœur peut permettre cette séparation, les élèves sont amenés à visionner une vidéo présentant une expérience d’injection d’eau dans un cœur de mouton et à me faire part de leurs résultats et de leur interprétation via un enregistreur audio.

Afin de leur offrir la possibilité d’explorer le cœur et d’avoir un aperçu en 3D de son organisation les élèves sont amenés à utiliser l’application mobile Anatomy AR.

Anatomy AR : Aperçu du système circulatoire

De cette façon ils peuvent circuler autour de la silhouette et pénétrer jusqu’à l’intérieur de l’organe. Cela leur permet d’appréhender l’anatomie cardiaque et remarquer les structures qui établissent la séparation du cœur en deux parties. Les élèves peuvent alors comprendre qu’à chaque battement cardiaque les sangs de nature différentes sont expulsés du cœur en suivant deux chemins distincts. Ce travail prépare les élèves à la dissection du cœur envisagée plus tard dans la séquence. Le but recherché ici est de permettre aux élèves de s’approprier des notions qui seront réinvesties plus tard. La dissection n’étant plus une activité d’exploration et de découverte mais l’occasion de confronter la représentation qu’ils ont de l’anatomie de cet organe avec le réel et proposer une démonstration de leurs connaissances, illustrée par leur dissection.

3ème partie : Le cœur en fonctionnement.

À ce stade, il ne reste donc plus qu’à comprendre pourquoi le sang ne suit qu’un sens de circulation et à découvrir l’origine des bruits du cœur. Pour cela, étant à distance j’ai proposé à mes élèves de visionner une vidéo de dissection.
Ceci leur a permis d’une part d’identifier sur un cœur les structures vues précédemment et d’autre part de découvrir l’existence des valvules cardiaques et leur fonctionnement.
Désormais, toutes les structures cardiaques sont identifiées et leur rôle est connu. L’origine des bruits du cœur est déterminée.
Le contrôle des notions se fait à l’aide d’un texte à trous.

Texte à trous parcours Maskott

Par la suite, en classe, une séance de dissection d’un cœur de porc permet de faire le rappel de ce qui a été vu à distance, de répondre à leurs questions et d’utiliser l’application Insight heart, qui permet de voir le cœur fonctionner et donc de voir le fonctionnement des structures étudiées jusqu’à présent de façon statique.

Insight heart : Coupe longitudinale du coeur

Par petits groupes, les élèves ont pu réfléchir à la meilleure façon de disséquer l’organe proposé pour présenter le septum et les valvules cardiaques ainsi que leur rôle. L’autonomie laissée aux élèves leur permet d’imaginer leur propre protocole de dissection.

Document élève

La connaissance de l’anatomie cardiaque est dans ce cas un pré-requis indispensable pour que cette activité puisse leur permettre de développer leur esprit critique. Pour une majorité de groupes les gestes étaient mesurés et relevaient d’une discussion préalable entre les élèves. Cette articulation entre le virtuel et le réel s’est avérée intéressante pour aborder différemment la dissection et pour permettre un réinvestissement des connaissances des élèves.

Focus sur un outil : AR Anatomy

AR Anatomy est une application de réalité augmentée du corps humain et de ses composants (système osseux, système nerveux, système musculaire, organes, etc.) à une échelle réelle avec des indications et des notes pour en faciliter l’étude. Elle est développée par eSkills, entreprise spécialisée dans le digital learning, basée en Suisse.

L’application contient les systèmes suivants : articulaire, cardiovasculaire, digestif, endocrinien, génital, tégumentaire, lymphatique, musculaire, nerveux, osseux, respiratoire, sensoriel, urinaire.

Visuel Anatomy AR

Cette application fournit un modèle humain détaillé avec une expérience de réalité augmentée immersive. https://apkpure.com/it/anatomy-ar-a...

Avantages / Plus-values :

  • Application relativement légère (93Mo) qui ne nécessite pas de matériel très perfectionné pour fonctionner. Elle est adaptée aux tablettes disponibles dans les collèges ou aux appareils des élèves.
  • La réalité augmentée amène les élèves à pouvoir utiliser leur environnement comme zone de travail, ce qui a un effet incitatif. La simplicité d’utilisation de cet outil en facilite l’usage. Une fois le modèle apparu, son exploration ne nécessite pas d’autres actions de la part de l’observateur que celle de se déplacer autour et vers l’élément à observer.
  • Gratuite, elle ne comporte pas de publicité et ne nécessite pas d’authentifications.

Points de vigilance :

  • Il n’y a qu’un seul modèle détaillé (Homme) dans l’application.
  • La langue française n’est pas disponible (ce qui peut rendre complexe l’utilisation des données disponibles pour chaque organe lorsque ce dernier est sélectionné).
  • Disponible sur le Play Store.

Retours, analyse et pistes d’amélioration

RETOUR DES IMPRESSIONS DES ÉLÈVES
Enquête réalisée avant le début de la séquence  : https://arcg.is/1WqW90
Les élèves qui ont répondu à cette enquête représentent 72% des élèves de 5ème et ils ont majoritairement un a priori neutre par rapport aux SVT.
Le recours aux outils numériques est fréquent dans notre collège puisque 77% des élèves reconnaissent avoir été sollicités pour utiliser des ressources numériques.
Avant de commencer cette séquence, la moitié des élèves ne juge pas indispensable le recours aux outils numériques car sans plus-values apparentes selon eux dans un contexte général.
Usage des applications de réalité virtuelle ou augmentée
Cela peut s’expliquer par le fait que mes élèves n’avaient jusque là pas été sollicités pour utiliser ce type d’outils numériques.
Apport des outils numériques lors des dissections
Après leur avoir présenté les avantages de ces outils dans le cadre des dissections, les élèves sont plus enthousiastes et ils plébiscitent le recours aux outils numériques car cela leur permet de réaliser une activité qui leur est pénible ou de pouvoir poursuivre à la maison le travail engagé durant la séance. La possibilité qui leur est offerte de préparer l’activité et de confronter la représentation qu’ils ont des structures qu’ils observeront en place sur l’organe lors de la dissection s’avère être un plus indéniable.
Enquête réalisée après la séquence : https://arcg.is/04DaDv
Pour beaucoup d’élèves, l’usage de ces outils qui plus est à distance sans contrainte de temps leur a permis d’aller plus loin que ce qui était demandé. Les 2/3 de élèves ont regardé d’autres structures que le cœur.

87% des élèves ont trouvé cela plus motivant et cela s’explique par le fait que les élèves avaient la possibilité de refaire le parcours et donc de réutiliser ces ressources. La motivation est renforcée par la possibilité d’utiliser leur propre matériel, facile à utiliser et toujours dans leurs mains.

Il ressort également que les élèves étaient satisfaits de pouvoir observer l’organe aussi bien de façon isolée qu’au sein de l’organisme et de pouvoir se rendre compte de sa place et de ses relations avec les autres organes.

De plus, le fait de pouvoir synthétiser toutes les approches d’un même organe à l’aide d’un même outil a été plébiscité par les élèves. 63% d’entre eux l’ont fait ressortir comme plus-value.
Enfin 50% des élèves ont apprécié de voir l’organe en activité car cela leur a permis de mieux en comprendre le fonctionnement.

Seuls 12,5% des élèves ayant répondu à l’enquête ont rencontré des difficultés avec les applications utilisées.
Utilité des outils numériques pour l’apprentissage
61% des élèves estiment important d’associer les outils numériques aux apprentissages. En effet, ils sont nombreux à remarquer l’utilité et l’aspect stimulant du recours aux outils numériques.
ANALYSE ET ÉVALUATION DU DISPOSITIF
Plus-values dégagées Dans ce cas d’enseignement hybride et n’ayant pas la possibilité de pouvoir m’adresser directement à mes élèves lors des temps à distance, d’échanger avec eux dans une dynamique de groupe, de leur proposer des activités pratiques typiques de l’étude des organes que sont les dissections et ne voulant pas me contenter du visionnage de vidéos explicatives, j’avais besoin de pouvoir les amener à manipuler des modèles, numériques dans ce cas. Mon objectif était qu’ils puissent découvrir certains aspects du fonctionnement du cœur de façon active et autonome. Le recours à des applications de réalité augmentée et virtuelle a permis aux élèves d’explorer cet organe.
Cela leur a aussi offert la possibilité de préparer la dissection qui a eu lieu par la suite. Les élèves ont pu avoir une toute autre approche puisque qu’il leur a été demandé de réaliser seuls la dissection pour présenter les structures étudiées. En temps normal la dissection est guidée de telle façon à ce que les élèves puissent facilement reconstituer l’organe une fois disséqué. Grâce à ce travail préparatoire qui a permis aux élèves d’avoir une représentation en trois dimensions du cœur ainsi qu’une idée précise de la localisation des structures d’intérêt ils ont pu déterminer seuls le protocole de dissection. Ainsi les élèves ont pu travailler en autonomie, en choisissant des axes de coupes souvent très pertinents. Enfin, j’ai pu apprécier la qualité de leurs explications au moment de la présentation de leur travail. Le lien entre la structure et son rôle étant correctement expliqué la plupart du temps.
Difficultés rencontrées Le travail à distance comporte une désynchronisation entre les élèves à laquelle il est difficile de remédier. Aussi, les moments de travail synchrone à distance n’ont pu être envisagés.
Pistes d’amélioration Dans le cadre d’un enseignement totalement à distance, il faudrait envisager l’organisation de moments de travail synchrone permettant par exemple la création d’une production commune, un moment de mise en commun, d’échanges et de remédiation, utiles pour accompagner les élèves au cours de leur progression dans le parcours.

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