Quand les rhinolophes poussent des cris très aigus

Impliquer les élèves dans la construction d’un algorithme pour modéliser la sélection sexuelle avec NetBioDyn, dans le cadre du nouveau programme de Seconde

Le nouveau programme de Seconde (rentrée 2019) met en avant "la sélection sexuelle et son importance en termes évolutifs, en lien avec la communication dans une communauté d’organismes". Il s’agit d’aborder la sélection sexuelle comme "une sélection naturelle particulière, réalisée à travers la reproduction au moyen de la communication interindividuelle".
La nature actuelle offre un certain nombre d’exemples de sélection sexuelle, dont le cas des rhinolophes de Mehely. Cette espèce de chauve-souris est remarquable par les cris très aigus qu’elle pousse alors que ce trait de caractères défavorise la chasse des papillons de nuit dont elle s’alimente.
Après avoir étudié avec les élèves un corpus scientifique propre aux rhinolophes de Mehely et utile pour construire la notion de sélection sexuelle, on se lance dans une activité de modélisation numérique. L’enjeu est de mettre au point avec le logiciel NetBioDyn l’algorithme adéquat expliquant la persistance d’un cri aigu de génération en génération chez les rhinolophes de Mehely.
Ce faisant, on se situe dans l’esprit des nouveaux programmes qui font la promotion de l’algorithmique : ensemble des méthodes permettant de créer des algorithmes, c’est-à-dire des suites d’instructions exécutables par un ordinateur.

- Liaison avec le programme et place dans la progression
- Problème à résoudre
- Notions, savoir-faire, compétences
- Outils numériques et ressources
- Déroulement de la séquence
- Retour des impressions des élèves
- Analyse et évaluation du dispositif

Professeur

  • Anne FLORIMOND, Lycée Richelieu (92)
LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné Seconde (nouveau programme 2019)
Partie du programme : Dans le sous-thème « Biodiversité, résultat et étape de l’évolution » du thème 1 : « La Terre, la vie et l’organisation du vivant »
PLACE DANS LA PROGRESSION
Après l’appropriation des notions de dérive génétique et de sélection naturelle.
Avant/au moment de/après l’étude des modes de communication intra-spécifique.
Après avoir déjà eu recours à une modélisation numérique avec le logiciel NetBioDyn. À cette occasion, un modèle de dérive génétique a été exploité en mode simulation mais en analysant tout de même l’algorithme du modèle.
MOTIVATION
Modéliser un phénomène oblige à bien en comprendre le résultat, ne serait-ce que pour déclarer les entités adéquates et mettre en équation les comportements de ces entités. Il s’agit donc d’une activité scientifique menée autour d’un raisonnement. Une telle activité, qui débouche sur une production concrète, est motivante et valorisante. Les élèves pourront, une fois le modèle créé, l’expertiser en mode simulation pour vérifier l’adéquation avec le réel, exactement comme le font les scientifiques. Ils pourront même, après-coup, utiliser leur modèle pour expliquer leur modélisation à leurs pairs.
Puisqu’il s’agit, sous NetBioDyn, d’équations paramétrées par le concepteur du modèle et qui s’exécutent au fil du temps, on est bien dans l’esprit de l’algorithmique dont les élèves doivent désormais faire l’apprentissage au cours de leur scolarité, au collège (programme 2016, mathématiques) puis au lycée.
Enfin, l’hétérogénéité des élèves d’une même classe peut amener un enseignant à différencier sa pédagogie. Dans cette optique, il peut être intéressant de mettre en activité certains élèves seulement autour de la construction intégrale du modèle. Pendant ce temps, d’autres s’attèleront à des tâches plus simples exploitant des modèles déjà construits autour desquels ils procéderont à des ajustements plus ou moins poussés. Le corpus scientifique sera le même pour toutes les activités, tout comme la notion travaillée. Quel que soit l’itinéraire emprunté, tous les élèves auront mené une activité d’algorithmique en SVT !

PROBLEME A RESOUDRE

On veut expliquer comment les forces évolutives ont maintenu la très haute fréquence des cris des rhinolophes de Mehely alors qu’ils réduisent l’efficacité de la chasse des insectes.

NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, COMPETENCES
Notions Extraits du Bulletin officiel spécial n°1 du 22 janvier 2019
Dans le monde animal, la communication interindividuelle et les comportements induits peuvent contribuer à la sélection naturelle à travers la reproduction. C’est le cas pour la sélection sexuelle entre partenaires.
Savoir-faire Sélectionner des informations à partir du réel ou de documents.
Valider une hypothèse.
Exprimer à l’écrit les résultats d’une recherche.
Travailler en équipe.
Prendre en compte les avis d’autrui.
Communiquer à plusieurs sur un mur virtuel
Compétences Concevoir, créer, réaliser.
Communiquer et utiliser le numérique.
ACTIVITE
Durée : 2h30 Coût : 0 euros Sécurité : RAS

Outils numériques et ressources
Le logiciel NetBioDyn et ses tutoriels en mode simulation et construction
kit NetBioDyn hors-ligne


Faire tourner un modèle avec NetBioDyn


Construire un modèle avec NetBioDyn
Un corpus de documents scientifiques à propos des rhinolophes de Mehely
Documentation scientifique rhinolophe de Mehely

Les documents proviennent de l’exercice II-1 du sujet de baccalauréat S Pondichéry 2017, légèrement modifié pour des raisons pédagogiques

Trois petites images pour représenter les entités du modèle Le fait de fournir ces "imagettes" fait gagner un peu de temps (la recherche d’image libres de droits est chronophage) et permet de bien conceptualiser les individus qui vont interagir au cours de la modélisation. On donne ainsi un petit coup de pouce aux élèves qui choisiront de construire de A à Z le modèle :).
- un rhinolophe de Mehely
Imagette d’un rhinolophe de Mehely à utiliser comme entité du modèle


- une autre espèce de chauve-souris, nommée X, ne poussant pas de cris très aigus

Imagette d’une autre espèce de chauve-souris, nommée X, à utiliser comme entité du modèle


- un papillon nocturne dont se nourrissent à la fois les populations du rhinolophe de Mehely et les populations de l’espèce X.

Imagette d’un papillon de nuit, à utiliser comme entité du modèle
Padlet Un mur virtuel est proposé pour que les élèves déposent par groupes leurs productions et puissent découvrir celles de leurs camarades.

Déroulement global de la séquence

Déroulé de la séquence

Déroulement détaillé de la séquence

Avant la modélisation : l’étude documentaire pour aborder la sélection sexuelle

Le corpus documentaire proposé est extrait d’un exercice II-1 de sujet de bac S (Pondichéry 2017). Il est compréhensible par des élèves de Seconde, sous réserve d’expliciter en leur présence certains documents. Les élèves ont eu pour consigne de lire ces documents avant la séance, sans chercher à rédiger quoi que ce soit. Un QCM de vérification de la compréhension des documents leur a été proposé afin de préparer l’activité de modélisation :

Le QCM proposé aux élèves (très inspiré de l’exercice II-1 du sujet de bac S, Pondichéry 2017)

On peut aussi demander aux élèves, avant la séance, une étude plus détaillée de l’écholocation à l’aide de cette vidéo (ressource facultative) :

Après l’étude documentaire, on peut définir la sélection sexuelle comme une sous-catégorie de sélection naturelle. Malgré le désavantage qu’ils confèrent du point de vue de la survie, certains caractères sont sélectionnés par les partenaires sexuels et transmis aux descendants parce que le succès reproducteur qu’ils procurent l’emporte sur le désavantage qu’ils confèrent en terme de survie.
On veut désormais créer avec le logiciel NetBioDyn un modèle rendant compte de cette sélection sexuelle.

La construction de l’algorithme

- La consigne donnée aux élèves :

Modéliser le devenir d’une population de rhinolophes de Mehely, ainsi que le devenir d’une population d’une espèce X de rhinolophe ne poussant pas de cris très aigus, pour aboutir à l’algorithme expliquant le maintien des rhinolophes de Mehely dans la nature.

- Les différents itinéraires proposés :

Différenciation pédagogique : les trois itinéraires proposés aux élèves
Itinéraire 1 : je construis de A à Z l’algorithme Vous avez toute liberté pour construire votre propre modèle.
Seules les imagettes représentant les trois entités utiles (un rhinolophe de Mehely, une autre espèce de chauve-souris et un papillon de nuit) sont fournies.
Itinéraire 2  : je modifie un algorithme imparfait Vous disposez d’un modèle imparfait.
Le modèle imparfait


Modifier l’algorithme de ce modèle pour qu’il s’accorde d’une part avec la documentation scientifique et d’autre part avec la persistance observée des rhinolophes de Mehely dans la nature.

Itinéraire 3 : je mets à l’épreuve deux algorithmes possibles Vous disposez de deux modèles A et B.
Le modèle A


Le modèle B


Comparer les algorithmes des deux modèles afin de repérer celui qui adhère le mieux aux données scientifiques. Vérifier ce choix en faisant tourner chaque modèle et en observant l’évolution des populations des deux espèces. Ajuster, si nécessaire, le modèle choisi.

- Quelques indications pour tous les élèves :

  • Dans un modèle, chaque entité est définie par sa mobilité et sa demi-vie. La demi-vie d’une entité est la durée au bout de laquelle la moitié de la population de cette entité a disparu.
  • Une équation de comportement s’écrit comme une réaction chimique : les réactifs en amont et les produits en aval.
  • Pour éviter l’encombrement rapide de l’environnement par de trop nombreuses entités, on évite de donner une probabilité trop forte à un comportement de reproduction (éviter les valeurs supérieures à 0,1).
  • On choisira comme effectifs initiaux le même nombre de rhinolophes de Mehely et d’individus de l’autre espèce de chauve-souris (par exemple, 100 de chaque).
  • Lorsqu’un modèle est ouvert, l’onglet "Export modèle" du logiciel NetBioDyn permet d’avoir une vision d’ensemble de l’algorithme du modèle sans avoir à utiliser un par un les onglets "entités" et "comportements".
  • Laisser un écoulement de temps suffisamment long pour simuler plusieurs générations.
  • Ne pas hésiter à répéter les simulations lors du test d’un modèle pour s’assurer de sa validité.

Quelques explications (à l’intention des collègues, mais non données aux élèves !) autour des différents itinéraires

  • la construction intégrale du modèle (itinéraire 1)
    Tout est à construire ! À partir de la "page blanche" correspondant au logiciel ouvert sans modèle fourni, il faut déclarer les entités adéquates (cette étape a été facilitée par la fourniture des 3 imagettes) et mettre en équation les comportements impliquant ces entités. Le corpus documentaire permet de suggérer d’une part des comportements de chasse (prédation des papillons nocturnes), d’autre part des comportements de reproduction.
  • le modèle imparfait (itinéraire 2)
    Une fois que le modèle est ouvert, l’onglet "Export modele" donne accès à l’algorithme du modèle imparfait proposé aux élèves :
    Focus sur l’algorithme du modèle imparfait

    Les zones encadrées en rouge montrent des défauts que les élèves pourraient repérer : le concepteur n’a pas pris en compte l’avantage conféré par les cris très aigus pour la reproduction. On pourrait faire faire plus de descendants aux couples de rhinolophes de Mehely et/ou donner une plus forte probabilité de réalisation à leur comportement de reproduction.
    Les zones encadrées en vert signalent, elles, la bonne adéquation avec les données scientifiques : les équations de chasse prévoient que les rhinolophes de Mehely ont moins de chances qu’une autre espèce de chauve-souris de se procurer une proie.

  • modèle A versus modèle B (itinéraire 3)
    On peut voir dans l’algorithme du modèle B que l’avantage (reproduction) et le désavantage (chasse) conférés par le fait de pousser des cris aigus ont bien été modélisés.
    Focus sur le modèle B

    En revanche, en observant l’algorithme du modèle A, on peut voir que si la chasse plus performante chez l’espèce X est bien prise en compte, l’avantage reproducteur des rhinolophes de Mehely n’apparait pas :

    Focus sur le modèle A

Les productions des élèves

Ci-dessous, les productions publiées par les élèves sur Padlet lors de la deuxième séance :

Fait avec Padlet

Remarque : en alternative à Padlet, un ENT comme monlycee.net (voir article sur ce site) propose différentes applications dont le mur collaboratif.

RETOURS ET IMPRESSIONS DES ÉLÈVES

Après ce travail, j’ai proposé aux élèves un sondage à renseigner en ligne, en dehors de la classe, afin de connaître leur ressenti à propos de cette expérimentation pédagogique.
Les réponses, recueillies sur la base du volontariat, représentent 94 % de l’effectif des élèves (33 élèves sur 35). C’est un très bon taux de répondants.
Du point de vue de l’algorithmique, l’observation des réponses montre bien la motivation et l’adhésion des élèves face à ce type d’activité qu’ils semblent apprécier et dont ils soulignent l’originalité. Du point de vue du travail en équipe, de nombreux élèves ont développé leur point de vue (généralement positif, avec quelques bémols) sur le fait d’avoir réfléchi, créé et communiqué en groupe avec des partenaires inhabituels.

L’itinéraire 1, plus étoffé en terme d’algorithmique, a été spontanément choisi par plus de la moitié des élèves.

Voici les réponses des élèves ayant choisi l’itinéraire 1  :

Voici les réponses des élèves ayant choisi l’itinéraire 2 :

Voici les réponses des élèves ayant choisi l’itinéraire 3 :

On voit que si le ressenti initial des élèves face à l’algorithmique est assez variable, le choix de l’itinéraire 1 a été guidé aussi bien par le goût de la difficulté et du défi que par l’aspect mathématique du travail demandé. Quant aux élèves ayant choisi les itinéraires 2 ou 3, ils expriment généralement de l’intérêt pour ce genre de travail même si certains déclarent manquer de confiance en algorithmique.
Le lien entre les informations scientifiques à lire avant la classe et l’activité numérique a été correctement établi. À ce propos, j’ai remarqué lors des séances que les élèves, quel que soit l’itinéraire choisi, se dirigeaient plus spontanément vers l’écriture ou la modification des équations de reproduction que celle de comportement de chasse : peut-être parce que le corpus documentaire illustrait de manière plus importante l’avantage conféré par les cris très aigus en terme de reproduction ?

Mes attentes semblent avoir été à peu près comprises. Les réponses mitigées sont certainement liées au fait que j’ai donné peu d’indications aux élèves quant à la manière de s’y prendre à l’intérieur d’un itinéraire.

Les avis des élèves sur NetBioDyn sont plutôt positifs. On a l’impression que le logiciel a été vécu comme un outil "mignon" et commode pour l’activité à réaliser. De très rares élèves expriment un manque de modernité de l’outil. La prise en main pour la modélisation est finalement jugée assez simple. Les détails de certains témoignages montrent même une excellente compréhension de cet outil. Je précise que les élèves avaient déjà utilisé le logiciel NetBioDyn d’une manière assez poussée lors d’un TP précédent sur la dérive génétique.

Le travail par équipes avait jusqu’à présent été très peu pratiqué dans la classe testée, en SVT comme dans les autres disciplines. Cela peut expliquer les réponses mitigées de certains élèves, probablement peu habitués à coopérer, s’exprimer et se faire entendre au sein d’un groupe.

La distribution des réponses va dans le sens d’un bon ressenti en terme d’intérêt et de motivation, bien qu’une poignée d’entre eux n’y aient pas trouvé leur compte.

Un "OUI" unanime qui ne me fait pas regretter d’avoir conduit ce projet.

On observe donc pléthore de remontées positives d’élèves. Parmi tous les points positifs cités, l’autonomie, la richesse apportée par le travail de groupe, le sujet scientifique abordé et la nature même de l’activité (algorithmique) sont le plus souvent mis en avant.

Plusieurs élèves ont été surpris, voire déçus, par l’effet de leurs retouches sur le modèle. Il faut bien garder en tête le fait que NetBioDyn est un outil de modélisation stochastique, et non déterministe. Une part importante de hasard, dont le placement initial des entités et leur direction de déplacement dans l’environnement informatique, intervient dans la réalisation des comportements. Pour cette raison, des modifications d’un paramètre ne donnent pas à coup sûr les effets escomptés.
Le second bémol mentionné par les élèves est le travail de groupe, ressenti par quelques-uns comme chronophage et contraignant.


Les réponses négatives représentent seulement 3 élèves sur 35. Cette dernière question du sondage illustre donc assez bien le fait que les élèves ne sont pas hostiles à la pratique de l’algorithmique dans d’autres disciplines que les mathématiques !

ANALYSE DU DISPOSITIF
Plus-values dégagées L’implication dans des activités qui sortent de l’ordinaire est vécu très positivement. La satisfaction d’avoir produit quelque chose l’emporte assez largement sur le temps qu’il a fallu consacrer à cette tâche.
Difficultés rencontrées Les équipes, quel que soit l’itinéraire choisi, ont connu de petits moments de découragement lors du test de leur modèle. Il faut donc régulièrement relancer le travail des équipes, leur apprendre à transiger et bien rappeler à tous qu’un modèle parfait, cela n’existe pas !
Pistes d’amélioration La séquence présentée a été testée avec une classe d’un très bon niveau. Pour la reconduire dans d’autres classes, il pourrait être intéressant de diversifier encore plus les itinéraires et/ou d’enrichir les aides. D’autre part, la partie rédactionnelle, une fois que le travail d’algorithmique est terminée, est exigeante et chronophage. On peut imaginer une restitution des résultats sous une forme différente : par exemple, une copie numérique du modèle créé ou modifié et/ou un film de la simulation une fois que le modèle est construit.

Pour aller plus loin :
- Article Pour la science en ligne (08 août 2014) : Les chauves-souris préfèrent les mâles aux voix aiguës

- Article fondateur : Female Mate Choice Can Drive the Evolution of High Frequency Echolocation in Bats : A Case Study with Rhinolophus mehelyi
(Sébastien J. Puechmaille, Ivailo M. Borissov, Sándor Zsebok, Benjamin Allegrini, Mohammed Hizem, Sven Kuenzel, Maike Schuchmann, Emma C. Teelin , Björn M. Siemers †)
Published : July 30, 2014

Auteur de cet article : Anne FLORIMOND, professeur de SVT au lycée Richelieu (Rueil-Malmaison), professeur formateur co-animant avec Isabelle Digard la formation hybride "La pédagogie du modèle en SVT au lycée" (PAF académie de Versailles), professeur associé aux travaux de recherche de l’Institut Français de l’Education (équipe Acces, groupe "Immunité et vaccination") et membre du GEP Versailles.

Remerciements aux 35 élèves de Seconde 1 (classe ABIBAC) du lycée Richelieu, qui ont su travailler dans la bonne humeur sans perdre de vue le fil rouge scientifique de l’étude !

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