Comment aborder la fonction de respiration au cycle 3 ?

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Comment aborder la fonction de respiration au cycle 3 ?

Comment aborder la fonction de respiration au CE2 ? De quelles situations problèmes peut-on démarrer ?

En CE2, l'important me semble être de faire passer 2 idées :

  • La ventilation
    L'air rentre par le nez (la bouche, la gorge) quand les poumons se gonflent, l'air ressort quand ils se vident. L'obstacle (épistémologique) est ici le bon ordre : ce n'est pas l'air qui rentre qui est à l'origine : c'est notre commande musculaire volontaire (gonfler la poitrine : facile à vérifier) ou involontaire (par le diaphragme qui est une lame musculaire : plus dur à faire comprendre) qui provoque l'entrée et la sortie de l'air. Cela s'expérimente sur soi. Je m'empêche de respirer. Je décide de respirer plus profondément : c'est moi qui suis actif : le mouvement de l'air qui entre et sort suit ma décision.

    Pour le diaphragme et la respiration moins volontaire, plus difficile à saisir, on peut construire un modèle réduit : par exemple une bouteille plastique ("notre cage thoracique" - rigide en respiration de routine - ) dont on remplace le fond par une lame élastique (une partie de ballon gonflable : modélisant le diaphragme) : si je pousse cette lame, l'air sort par le goulot de la bouteille (mettre un bouchon traversé par un bout de paille pour rendre perceptible cette sortie d'air) ; si je tire vers le bas cette lame, l'air rentre (matérialisable par de la fumée mise à l'extérieur, qui entre dans le "poumon" ; et qu'on voit ensuite sortir avec le mouvement inverse). Bien préciser que, chez nous, c'est la lame diaphragme qui est un muscle et provoque son propre mouvement vers le haut ou vers le bas (alors que dans le modèle, c'est la force musculaire de notre main qui se substitue à celle du diaphragme) ...

    L'obstacle didactique ainsi introduit est la réduction des poumons à une simple poche (on le retrouve ensuite dans les conceptions des élèves). Pour tenter de l'éviter (si on décide que c'est important, ce qui n'est pas si sûr à ce stade), on peut se procurer des poumons (même si c'est peu ragoûtant, ça ne fait pas trop sale : agneau, lapin, etc.) et montrer que ce "mou" rose n'est pas un simple sac, mais un assemblage de toutes petites alvéoles ; on peut le gonfler et dégonfler. C'est spectaculaire et donc ça marche : MAIS le fait de devoir souffler fort (dans un tube raccordé à la trachée ou à une bronche) risque de renforcer le premier obstacle mentionné ci-dessus : avec un poumon mort, c'est l'air qui rentre dans les poumons qui, en effet, le fait gonfler ! Et ce n'est pas évident d'expliquer que c'est nous, par la force qu'on déploie à souffler, qui prenons la place des muscles du diaphragme et de la cage thoracique ... Mais il faut l'expliquer: ou alors abandonner ces manip. pourtant spectaculaires à partir de vrais poumons ...

  • Le lien entre la respiration, la circulation et l'effort musculaire
    La situation problème évidente est la mesure conjointe, avant et après un effort musculaire (une course par exemple) du rythme respiratoire et du rythme cardiaque : les 2 augmentent en même temps. Ca se mesure (respiration, pouls ou battements du cur), ça se discute. On peut même rajouter une couche en signalant qu'on a parfois besoin de croquer un sucre quand on fait de gros efforts (marche en montagne, ...).

    L'enjeu ici est essentiel : c'est faire comprendre que ce qu'on respire passe dans le sang : que même c'est POUR cela qu'on respire ! Parce que le sang va dans les muscles pour y apporter l'oxygène puisé dans l'air par les poumons, via le sang. Mais c'est difficile parce qu'il y a quatre obstacles épistémologiques incontournables :

    1- D'abord la traversée de la paroi des alvéoles pulmonaires (ou de la limitante des poumons dans le modèle simplifié) par l'air (ou une partie)

    2- Ensuite la dissolution de cet air dans le sang : concepts de gaz, de liquide, de passage de l'un à l'autre (eau) et de dissolution possible de l'un dans l'autre ... pas évident à comprendre en CE2 ! Mais fondamental à dire et à faire entrevoir. Il n'y a pas de bulles dans le sang (sinon, c'est l'embolie !).

    3- Enfin la circulation du sang et la fonction qu'y joue le cur. Les battements du cur sont un signe de la vitesse de circulation !

    4- Et bien sûr, l'utilité trop souvent passée sous silence en biologie, de la finalité de cette circulation : ce qui est dans le sang (en occurrence l'oxygène) va vers toutes les parties du corps, principalement les muscles quand on fait un effort physique. OR IL FAUT ALLER JUSQU'A CETTE EXPLICATION ! Il faut que, dès la première fois qu'un élève réfléchit à sa respiration, il comprenne à quoi ça sert : à oxygéner tout son corps et particulièrement ses muscles qui ont besoin de cet oxygène pour travailler : c'est là qu'est en fait la respiration ! C'est ce qui sera repris plus tard, mais qui ne doit pas être occulté dès le départ. Toutes les recherches en Didactique ont montré que passer l'essentiel sous silence parce que ça serait trop difficile à faire comprendre, crée des obstacles irréversibles (voir les travaux sur la digestion/excrétion : le fait que les aliments passent dans le sang DOIT être dit dès qu'on introduit l'idée d'un tube digestif !). (Je ne sais pas s'il est utile ou non de parler d'emblée du CO2 : pas évident peut-être dans un premier temps ? pas impossible non plus ...).

    Alors, ça vaut le coup d'innover dès le CE2 sur chacun de ces 4 obstacles, si on ne veut pas les renforcer et constater ensuite qu'ils sont encore présents chez des étudiants !

    - pour les obstacles (1) et (4), c'est la perméabilité des parois qu'il faut montrer. Celle d'un tuyau de gaz trop vieux pour (1) ; et plutôt celle d'un tuyau d'arrosage percé pour (4)
    - pour l'obstacle (2), c'est un début de physique élémentaire sur les lois de la dissolution des gaz dans un liquide. Il y a une bonne fiche map là dessus (pourquoi les gaz se dissolvent dans un liquide quand on augmente la pression ?), encore que ces réponses oublient un paramètre important pour les biologistes : la surface de contact air-eau : l'eau brassée par les vagues est plus oxygénée, le bel-bulles permet l'oxygénation de l'eau d'un aquarium ;etc. Cette surface de contact est plus complexe dans l'organisme car elle implique aussi la perméabilité de parois fines (cf obstacles A et D ci-dessus) et des phénomènes physiologiques-biochimiques (dont le rôle de l'hémoglobine).
    - pour (3), on a la fameuse démonstration de Harvey qui prouve que le cur ne peut pas fabriquer le sang, et que l'appareil circulatoire est clos (les textes historiques restent très utiles et actuels pour des CE2, qui ont sûrement la conception spontanée d'une circulation ouverte où on fabrique le sang pour compenser ce qu'on perd en saignant ...)
    On sait que tout est imbriqué en biologie. A question simple, réponse moins simple. Mais aller ainsi, et dès le premier enseignement sur la notion de respiration, jusqu'au sens des fonctions abordées est essentiel. Partir de situations problèmes sur la respiration/ventilation peut être une bonne entrée. Et les développements qui suivent inévitablement si on prend au sérieux les questions qui émergent alors, faciliteront fortement les apprentissages sur toutes les autres grandes fonctions de l'organisme !