Un exemple de projet expérimental et numérique en Première : la culture de fougères d’eau Nouveau programme d’enseignement scientifique en Première

Une proposition de projet expérimental et numérique dans le cadre du programme de l’enseignement scientifique (tronc commun de la Première générale) à partir de la rentrée 2019.

L’objectif de cet article est de présenter le nouveau projet expérimental de l’enseignement scientifique de 1ère à partir de la rentrée 2019 et d’en montrer un exemple simple, peu couteux et réinvestissant les techniques et matériels déjà présents dans les laboratoires. Les ressources nécessaires et des exemples concrets sont disponibles en fin d’article.
Note : dans cet article, le texte en italique correspond aux citations extraites des documents officiels.

Présentation du projet expérimental et numérique

Le programme d’enseignement scientifique de Première prévoit un travail qui se déroulera sur une douzaine d’heures, dans des conditions matérielles qui permettent un travail pratique effectif en petits groupes d’élèves.
Le projet s’articule autour de la mesure et des données qu’elle produit, qui sont au cœur des sciences expérimentales. L’objectif est de confronter les élèves à la pratique d’une démarche scientifique expérimentale, de l’utilisation de matériels (capteurs et logiciels) à l’analyse critique des résultats.

Le projet expérimental et numérique comporte trois dimensions :

  • utilisation d’un capteur éventuellement réalisé en classe ;
  • acquisition numérique de données ;
  • traitement mathématique, représentation et interprétation de ces données.

Selon les projets, l’une ou l’autre de ces dimensions peut être plus ou moins développée.
L’objet d’étude peut être choisi librement, en lien avec le programme ou non. Il s’inscrit éventuellement dans le cadre d’un projet de classe ou d’établissement.
L’objectif n’est pas d’introduire des notions nouvelles
.

Liens avec le programme de l’enseignement scientifique (extraits)

A- Objectifs généraux de formation
Comprendre la nature du savoir scientifique et ses méthodes d’élaboration

Le savoir scientifique résulte d’une construction rationnelle. Il se distingue d’une croyance ou d’une opinion. Il s’appuie sur l’analyse de faits extraits de la réalité complexe ou produits au cours d’expériences. Il cherche à expliquer la réalité par des causes matérielles.
Identifier et mettre en œuvre des pratiques scientifiques

Le scientifique, au cours de son activité de production du savoir, met en œuvre un certain nombre de pratiques qui, si elles ne sont pas spécifiques de son travail, en sont néanmoins des aspects incontournables. Quelques mots-clés permettent de les présenter : observer, décrire, mesurer, quantifier, calculer, imaginer, modéliser, simuler, raisonner, prévoir le futur ou remonter dans le passé.
Identifier et comprendre les effets de la science sur les sociétés et sur l’environnement

Les sociétés modernes sont profondément transformées par la science et ses applications technologiques. Leurs effets touchent l’alimentation (agriculture et agroalimentaire), la santé (médecine), les communications (transports, échange d’information), l’apprentissage et la réflexion (intelligence artificielle), la maîtrise des risques naturels et technologiques, la protection de l’environnement, etc. La compréhension de ces transformations est indispensable à la prise de décision ; elle distingue l’approche purement scientifique d’autres approches (économiques, éthiques, etc.). De même, les activités humaines exercent sur l’environnement des effets que la science permet de comprendre et de contrôler.
B- Suggestions pédagogiques
Une place réservée à l’observation et l’expérience en laboratoire

La pratique expérimentale des élèves est essentielle. En particulier, il est bienvenu, chaque fois que possible, de créer les conditions permettant un travail de laboratoire fondé sur diverses formes de manipulations et d’observations. Ainsi, l’élève se livre lui-même à la confrontation entre faits et idées et comprend, en la pratiquant, la construction du savoir scientifique.
Un usage explicité des outils numériques

Des outils numériques variés trouvent des applications dans le cadre de l’enseignement scientifique : logiciels de calcul ou de simulation, environnements de programmation, logiciels tableurs, etc. Il convient d’associer leur usage par les élèves à la compréhension au moins élémentaire de leur nature et de leur fonctionnement.
C- Objectifs thématiques
(Rappel : L’objectif du projet expérimental n’est pas d’introduire des notions nouvelles)

Partie 2-3 : Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone (photosynthèse). (...) À l’échelle de la feuille (pour les plantes), la photosynthèse utilise une très faible fraction de la puissance radiative reçue. (...) La photosynthèse permet l’entrée dans la biosphère de matière minérale stockant de l’énergie sous forme chimique. (...)

Présentation du projet

Le thème général que je vous propose tourne autour des besoins d’une plante pour se développer.
Exemples de problématiques :

  • Comment déterminer les besoins d’une plante en eau ou en engrais ? ou Comment limiter les apports en engrais sans diminuer les rendements agricoles ? (exemple de document d’appel : mise en parallèle entre les marées vertes et l’utilisation des engrais azotés, eutrophisation)
  • Quelle durée d’éclairement est nécessaire pour cultiver une plante en laboratoire tout en économisant les ressources énergétiques ? (exemple de document d’appel : cultures hors-sol)
  • De quelles substances minérales une plante a-t-elle besoin pour se développer ?
  • ...

Il s’agit donc de réaliser en laboratoire une culture de plantes en choisissant les conditions de culture et en suivant sur plusieurs semaines le développement de la plante cultivée. Une comparaison sera faite avec une expérience témoin.

Les élèves élaborent un protocole comprenant notamment un témoin, mettent leurs plantes en culture, prennent des captures numériques de l’état de leurs cultures sur 3 semaines et exploitent numériquement leurs résultats.
Une démarche expérimentale complète peut être menée par les élèves, en autonomie.
Bonus : on cherche à savoir quel groupe aura le meilleur résultat (celui dont les plantes auront le mieux proliféré).

Ce projet peut servir à construire les notions correspondantes ou être conduit de manière indépendante du cours.

Projet SVT ou interdisciplinaire SVT/PC.

La fougère d’eau, Salvina natans (photo : Le.Loup.Gris)

Déroulement des activités élèves

Il est bon de rappeler avant de commencer le principe de la démarche scientifique expérimentale, des étapes d’un raisonnement scientifique, de la nécessité d’un témoin, de ne faire varier qu’un facteur à la fois si on veut comparer plusieurs essais différents, etc.

Les principales étapes des élèves seront par exemple :
-  la conception du protocole,
-  la mise en culture de leurs plantules avec notamment un témoin,
-  la prise de la photo de leur culture et leurs observations à t0, t+1 semaine et t+2 semaines,
-  le traitement de leurs photos (calcul de la surface des plantules sous Mesurim, présentation des données dans un tableur ou traitement de texte),
-  analyse/conclusion.

Traitement numérique des résultats

Le principe : à partir d’une photo, on peut estimer la surface occupée par les plantules. Connaissant le diamètre de la boîte de Pétri, on peut obtenir des résultats en cm² et comparer l’évolution de la surface au cours des différentes semaines de l’expérience. Pour faciliter les comparaisons, les photos doivent donc être prises dans les mêmes conditions.

  • 1ère étape : Ouvrir la photo sous Mesurim et y indiquer l’échelle

Pour le détail des étapes, voir la fiche technique. On va définir une échelle (cliquer sur les photos pour les agrandir) :

On indique la longueur de référence, ici le diamètre de la boite de Pétri :

Les mesures seront ensuite obtenues en cm². Si les conditions de prises de vue ont été rigoureusement les mêmes, l’échelle définie ici sera réutilisable, sinon il faut la redéfinir pour chaque image traitée.

  • 2e étape : Calculer la surface des plantules

Pour le détail des étapes, voir la fiche technique. Avec l’outil de mesure des surfaces, on clique sur les plantules pour les sélectionner et en déduire leur surface. Chaque clic étend la zone sélectionnée :

Quand toutes les plantules sont sélectionnées sans débordement, on peut noter la surface correspondante :

  • 3e étape : Comparer les résultats à l’aide d’un tableur (facultatif)

On peut rassembler les résultats dans un tableur pour comparer les valeurs, traiter les données et les représenter graphiquement :

Matériel utilisé

-  Une petite plante aquatique à prolifération rapide (par exemple la fougère Salvinia natans). Une plante aquatique permet en effet de contrôler plus facilement ses besoins nutritifs.
-  Des boîtes de culture (ex : boîtes de Pétri), des marqueurs ;
-  Eau distillée et eau du robinet ;
-  Petit matériel de labo (pinces fines, pipettes / compte-gouttes, éponges…) ;
-  Solutions d’engrais à différentes concentrations et/ou de différentes compositions ;
-  Partie du labo éclairée / à l’obscurité ;
-  Capteurs numériques (type appareils photos + éventuellement luxmètres) ;
-  Logiciels (ex : Mesurim + Excel) ;
-  Clés USB ou ENT ou session élève (stockage des fichiers de travail et de résultat).

Contraintes techniques

-  Il faut au minimum 3 semaines contigües.
-  S’assurer que chaque groupe a bien les photos nettes de chaque boîte, chaque semaine, prises avec le même appareil, avec le même niveau de zoom, dans les mêmes conditions d’éclairage (éviter le flash) et de préférence verticalement.
-  Pour faciliter le traitement des photos, elles doivent être prises sur fond blanc.
-  Anticiper pour commander les plantules (parfois en rupture de stock) en quantité suffisante.
-  De la place au labo.
-  Garder les fougères d’eau à l’air libre : elles prélèvent le CO2 dans l’air.
-  Des élèves en groupes de TP.

Durée indicative

La durée minimale est de 3 séances de 2h (ou d’1h30).
Possibilité de séparer la conception du protocole, la mise en culture et l’analyse des résultats.

Coût

Une dizaine d’euros (Salvinia natans) + engrais (ou solution équivalente préparée au labo)

Alternatives

  • On peut remplacer la prise de photo par un système automatique de prises de vues avec RaspberryPi ou Arduino couplé à une caméra et programmé en Python.
  • On peut utiliser des lentilles d’eau, mais j’ai obtenu de meilleurs résultats avec les fougères d’eau qu’avec les lentilles Lemna minor (différence de tolérance aux conditions expérimentales testées).
  • On peut également remplacer les fougères d’eau par des cultures d’euglènes en tubes à essai (avec suivi par numération ou par spectrophotométrie).

Poursuites possibles

  • Rédaction d’un compte-rendu sous un traitement de texte, présentation orale des résultats de chaque groupe avec un support de type diaporama.
  • ExAO : montrer la consommation de CO2 et/ou la production d’O2 lors de la photosynthèse (possible sur la fougère d’eau).
  • Mise en évidence expérimentale des longueurs d’onde utiles à la photosynthèse (comparer les spectres d’absorption et d’action photosynthétique d’un végétal).
  • Expérience avec élodée ou géranium mettant en évidence la production de matière organique (amidon) lors de la photosynthèse.
  • ExAO : montrer que les molécules issues de la photosynthèse peuvent être transformées par respiration ou fermentation pour libérer l’énergie nécessaire au métabolisme des êtres vivants.

Remarques

La culture des fougères d’eau peut se dérouler sans précaution particulière (en dehors du respect des conditions expérimentales prévues). Par contre, au-delà de 3 semaines, des moisissures risquent de se former (notamment pour toutes les conditions entraînant la mort des plantules).
Les boîtes de Pétri risquent de s’assécher au bout de 4-5 jours si elles n’ont pas été suffisamment remplies ou si elles ont perdu de leur milieu lors de leur déplacement. Il peut être nécessaire de remettre du milieu de culture au bout de quelques jours (le milieu de culture doit donc être écrit lisiblement sur la boite de Pétri et/ou indiqué par exemple par une pastille de couleur).
Pour les commandes en ligne, le coût est souvent proportionnel à la qualité (et la quantité) reçue.

Documents

Cliquer pour télécharger :

-  Informations générales sur la fougère d’eau
-  Notice d’utilisation de l’engrais
-  Activités élèves semaine 1
-  Activités élèves semaine 2
-  Activités élèves semaine 3
-  Exemples de photos résultats : témoin semaine1, témoin semaine2, témoin semaine3, engrais semaine1, engrais semaine2, engrais semaine3
-  Exemple de fichier excel (résultats)
-  Exemples de résultats comparés
-  Fiches techniques : Mesurim (mesure de surface) / Excel (fiche ECE)

 


D’arprès ProSymbols


D’après Egorova Valentina


D’après Adrien Coquet

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