Rappels sur l’historique du concept de circulation sanguine en lien avec des difficultés que pourraient rencontrer les élèves 

Rappels sur l’historique du concept de circulation sanguine en lien avec des difficultés que pourraient rencontrer les élèves

La relation entre le sang et la vie a été faite très tôt dans l’histoire de l’humanité, diverses découvertes et études ont permis d’aboutir au système circulatoire tel qu’il est admis aujourd’hui. Ces explications, données par des médecins et scientifiques n’étaient pas toujours fondées sur des faits observés, elles pouvaient également émerger de faits observés de manière erronée. La part de l’imaginaire pouvait être importante dans certaines théories, notamment les théories très anciennes d’Hippocrate et de Galien, dans lesquelles le récit occupe une place importante. La part de l’imaginaire peut également prendre une place importante dans les explications et les représentations des élèves. C’est pourquoi il est intéressant de connaître des théories ayant fait foi à une époque donnée car des relations peuvent être faites entre les explications anciennes des scientifiques et certaines difficultés rencontrées par les élèves.
Hippocrate (460-375 ac JC) a fondé une médecine laïque accordant le moins possible de place aux superstitions. Il est à l’origine de la théorie des humeurs selon laquelle l’état de santé d’un individu dépend de l’équilibre entre les quatre humeurs qui le composent : le sang, la pituite ou phlegme, la bile jaune et la bile noire. Le sang chez Hippocrate est déjà rattaché au cœur. Les médecins grecs contemporains de Hippocrate ont effectué de nombreuses dissections sur des animaux égorgés qui ont induit des erreurs dans leurs représentations. En effet les artères, apparaissant vides lors de ces dissections, ont été affectées au transport de l’air. Des organes comme le foie et la rate, gorgés de sang, apparentés à des éléments importants pour le transport du sang. Hippocrate dans son traité De la maladie sacrée décrit l’appareil circulatoire humain comme suivant. Il y a deux veines principales permettant l’apport de sang aux organes. La première part du foie et distribue le sang dans la partie droite du corps, elle possède une branche descendante, la veine cave, et une branche montante irriguant le poumon, le cœur et la tête. La seconde part de la rate et irrigue la partie gauche du corps de la même manière. Le cœur et les veines sont en mouvement continuel grâce à la chaleur contenue dans le cœur. La veine pulmonaire permet à l’air inspiré de transiter jusqu’au cœur afin de le refroidir. Les artères ne transportent pas du sang mais de l’air, du cœur vers les organes afin de les vivifier. Tout comme Hippocrate, les élèves n’ont généralement pas trop de difficultés à intégrer le cœur dans la circulation sanguine. Il est cependant plus fréquent qu’ils aient des difficultés à comprendre le rôle des différents vaisseaux sanguins. Lors d’évaluations diagnostiques concernant la circulation sanguine, certains élèves n’intègrent pas la présence de vaisseaux sanguins au système circulatoire, ou intègrent des vaisseaux qui ne transportent pas de sang mais d’autres substances telles que l’air par exemple. Ces difficultés concernant le rôle des vaisseaux sanguins se retrouvent dans différentes théories historiques et notamment dans l’explication d’Hippocrate. Les représentations erronées de l’époque s’expliquent par des difficultés d’observation liées aux dissections d’animaux morts, chez qui le sang n’est plus en mouvement. C’est ainsi qu’Hippocrate affirme que les veines transportent du sang alors que les artères sont désignées dans sa théorie au transport de l’air. Les difficultés des élèves d’aujourd’hui s’expliquent par l’abstraction de certaines parties d’un système qu’ils ne connaissent que partiellement. Ils n’imaginent pas, pour certains, que le sang circulent dans des vaisseaux puisque dans le cas d’une blessure, le sang apparaît sans que l’on puisse voir de vaisseaux sanguins.
Aristote (384-322 av JC) a effectué plus de dissections d’animaux, il décrit un appareil circulatoire ayant des points communs avec celui décrit par Hippocrate. Tous deux décrivent un système avec une double circulation du sang grâce à deux veines principales et où les organes (hormis le foie et la rate) reçoivent une branche de chaque veine. À la différence d’Hippocrate, selon Aristote, les deux veines du tronc irriguant les organes partent toutes deux du cœur, une grande en avant à droite et une plus petite en arrière à gauche. Il n’y a pas de retour du sang au cœur, les vaisseaux ont pour rôle d’amener le sang jusqu’aux organes afin qu’ils baignent dans celui-ci. Chez Hippocrate et Aristote il n’y a pas de distinction entre veines et artères.
Galien (129-210 ap. JC) médecin grec réel fondateur de la médecine expérimentale a effectué énormément de dissections et de vivisections sur de nombreuses espèces animales. Une part importante de son travail concerne la circulation sanguine et ses mécanismes. Il montre par ses expériences que les artères transportent du sang et non de l’air comme ce qui était admis précédemment. Pour Galien le sang existe sous deux formes. Le sang veineux est synthétisé dans le foie à partir des nutriments acheminés depuis l’estomac via la veine porte, c’est le processus de « sanguinification ». Ce sang veineux est véhiculé jusqu’aux organes et une partie rejoint le cœur droit par la veine cave.
Une séparation a lieu au niveau du cœur, en effet la veine arterieuse amène une partie du sang au niveau des poumons où il est consommé et l’autre partie du sang diffuse vers le cœur gauche. Ici le sang est transformé en sang artériel par la « chaleur vitale » qu’il transportera vers le corps via les artères. Les deux types de sang seront au final consommés par les organes. Le moteur du mouvement du sang pour Galien n’est pas le cœur mais les organes qui attirent le sang vers eux.
Les élèves peuvent avoir des difficultés à comprendre que la circulation sanguine s’effectue dans un système clos. Comme dans les théories d’Aristote pour qui le sang ne revient pas au cœur, ou de Galien, qui affirme de plus que le sang est consommé par les organes et synthétisé à partir des aliments dans le foie. Les élèves ont également des difficultés à intégrer le fait que le sang ne quitte jamais les vaisseaux sanguins. Cette idée apparaît dans la théorie d’Aristote puisque pour celui ci, le sang est amené aux organes afin qu’ils baignent dans celui-ci. Il considère que les vaisseaux sanguins ont pour utilité de transporter le sang du cœur jusqu’aux organes. Ainsi le sang effectue un trajet linéaire comme il est possible de le retrouver dans certaines productions d’élèves.
C’est William Harvey (1578-1657), médecin anglais qui, grâce à la synthèse et l’analyse méthodique des découvertes anatomiques faites depuis Galien et de ses recherches effectuées grâce à de nombreuses vivisections, démontre pour la première fois l’existence d’une circulation sanguine en 1628. Le cœur est considéré comme le moteur de la circulation sanguine. Le cœur droit envoie le sang vers les poumons via l’artère pulmonaire. Il revient ensuite vers le cœur gauche qui l’envoie vers les organes. La remontée du sang vers le cœur droit s’effectue par les veines. C’est ainsi qu’est décrite la révolution sanguine. Harvey étudie également les battements cardiaques et comprend le rôle des oreillettes et des ventricules. Le passage du sang des artères vers les veines est compris grâce à la découverte des capillaires sanguins dans les poumons de grenouille par Malpighi en 1661.(Pascal Duris et Gabriel Gohau, 2011).
La connaissance des anciennes théories concernant la circulation sanguine permet d’anticiper certaines difficultés des élèves mais aussi de repérer certaines représentations sous entendues dans leurs productions. Outre les obstacles liées aux représentations historiques, les élèves peuvent rencontrer des difficultés de modélisation et avoir du mal à se représenter la complexité du système circulatoire. Beaucoup d’informations sont à mettre en relation afin de comprendre l’objectif de la circulation sanguine qui est la nutrition de l’organisme mais aussi l’évacuation des déchets de son fonctionnement. La construction de cette notion nécessite que les élèves soient capables de réutiliser et de transférer des connaissances acquises dans le cadre d’un autre thème. Cet exercice est très difficile car les élèves ont tendance à cloisonner leurs apprentissages. Afin de palier à certaines de ces difficultés les élèves adoptent différentes stratégies. La mise en histoire est l’une d’entre elles.

La mise en histoire : une stratégie pour apprendre

Le travail du langage écrit occupe une place très importante dans la formation des élèves. Elle est travaillée dans chaque matière enseignée et entre dans la cadre de la compétence 1 « maîtrise de la langue française » du socle commun de connaissances, de compétences et de culture (BO, Juillet 2013). En sciences, l’écrit entre en jeu à différents moments de l’apprentissage allant de l’évaluation diagnostique à l’évaluation sommative en passant par la phase de recherche donc de construction des connaissances et la phase de structuration du nouveau savoir scientifique construit.
Dans certains contextes la production langagière des élèves de tous niveaux peut prendre la forme d’une « mise en histoire » aussi appelée « mise en récit ». Ces formes particulières d’écrits répondent aux codes du récit narratif.
Comme le soulignent Martine Jauber et Maryse Rebière (2009), le récit narratif est le premier outil de langage écrit dont les enfants disposent afin d’exprimer et d’organiser leurs idées. La mise en histoire témoigne d’une « tentative de configuration du monde » (Patricia Schneeberger et Anne Vérin, 2009, p338).
L’utilisation de récits narratifs par les élèves en sciences montre une volonté d’organiser les éléments de connaissance dont ils disposent. La mise en histoire vise à mettre en relation différents éléments, dans le but d’établir un lien logique entre eux ainsi qu’une chronologie dans les événements. Les caractéristiques de la mise en histoire sont celles du récit narratif habituellement décrit. Il s’agit de « l’exposé écrit et détaillé d’une suite de faits dans une forme littéraire » (Dictionnaire Petit Robert, 1990). Il sera possible de retrouver dans les explications des élèves des figures narratives habituelles telles que la chronologie des événements ou des modifications temporelles telles que les flash-back et les ellipses. Il sera également possible de rencontrer une personnification des éléments scientifiques décrits. Le passage par un récit narratif est nécessaire aux enfants afin d’organiser leurs connaissances. L’enjeu pour l’enseignant est de mener les élèves vers la construction d’une explication qui ne sera plus de nature narrative mais de nature scientifique. (Martine Jauber et Maryse Rebière, 2009).
Contrairement au récit narratif, l’explication scientifique ne constitue pas une succession de faits organisés de manière chronologique les uns avec les autres.
L’explication scientifique « nous fait apercevoir des systèmes dans leur totalité et leur évolution dans le cadre d’une vision dynamique et historique » (André Giordan, 1994, p114). L’explication scientifique est nourrie d’arguments démontrés et articulés entre eux de manière à mettre en évidence l’aspect dynamique du phénomène.
Denise Orange-Ravachol , en 2007 a travaillé sur l’utilisation de la mise en histoire par des lycéens afin de résoudre des problèmes de géologie liés à la tectonique des plaques. Par analogie avec les difficultés qu’elle a souligné chez les lycéens il est possible de comprendre comment les élèves de cinquième pourront utiliser la mise en histoire afin de construire les connaissances relatives à la circulation sanguine. Denise Orange-Ravachol a montré que l’utilisation des mises en histoire par les élèves sont à la fois une aide mais constituent aussi une possible mise en difficulté. Elles permettent et empêchent chez les élèves « la problématisation du fonctionnement et de l’histoire des phénomènes complexes » (Denise Orange-Ravachol, 2007, ASTER, p42). Pour expliquer la tectonique des plaques les lycéens utilisent une histoire simple dans laquelle les plaques lithosphériques tiennent le rôle de personnage principal. Elle évoque des situations d’apprentissage qui sont plus propices à l’utilisation de la mise en histoire par les élèves. Ces situations impliquent généralement que « les élèves prennent en charge conjointement plusieurs problèmes ne se déployant pas dans une même échelle spatiale et où le temps des phénomènes marque différemment l’espace » (Denise Orange-Ravachol, 2007, ASTER, p66). La partie « Fonctionnement de l’organisme » du programme de cinquième induit l’utilisation de la mise en histoire car il s’agit de comprendre le fonctionnement global de l’organisme. L’étude de la circulation sanguine fait partie des situations d’apprentissage favorisant l’utilisation de la mise en histoire par les élèves. Ce thème pose certains problèmes de temps et d’échelle. En effet, la circulation sanguine regroupe des phénomènes se déroulant simultanément dans différentes parties de l’organisme. L’étude de la circulation sanguine implique une mobilisation des connaissances acquises au sujet du fonctionnement de l’organisme. Il s’agit tout d’abord d’un trajet du sang dans l’organisme ayant pour but l’approvisionnement des organes en dioxygène et en nutriments, mais aussi l’élimination des déchets de fonctionnement des organes. C’est un phénomène continu difficile à se représenter de manière dynamique et complète du fait qu’il englobe un grand nombre de fonctions. Le système circulatoire se doit d’assurer l’acheminement du dioxygène des poumons vers les organes, le retour du dioxyde de carbone vers les poumons, mais aussi le transport de l’urée vers les reins.
Toutes ces substances sont transportées par un seul et même système effectuant un seul trajet. La construction des connaissances sur le système circulatoire pose également des problèmes d’échelle spatiale qui peuvent être propices à une mise en histoire. Le cœur, organe macroscopique permet de distribuer le sang via des vaisseaux sanguins dans l’organisme. Ces vaisseaux sont de tailles différentes allant jusqu’à l’échelle microscopique pour les capillaires sanguins. La circulation sanguine est donc un phénomène macroscopique permettant des échanges microscopiques au niveau des organes. L’explication de la circulation sanguine nécessite un aller-retour entre ces deux échelles. Il est possible de penser que pour illustrer l’histoire simple de la circulation sanguine, les élèves de cinquième utiliseront le sang, le cœur, les vaisseaux sanguins ou d’autres organes à titre de personnages principaux.
Pour comprendre comment les élèves utilisent la mise en histoire afin de les aider à organiser leurs idées concernant la circulation sanguine, mais aussi dans le but de déterminer dans quelle mesure l’utilisation de cette technique constitue une aide à la construction du savoir : un recueil de données est effectué auprès d’élèves de cinquième.

METHOLOGIE DE RECUEIL DE DONNEES

Contexte du recueil des données

Le recueil de données pour ce mémoire est réalisé dans deux classes de cinquième du collège publique Bellestre à Bouaye (Loire-atlantique). Ces deux classes sont les classes dans lesquelles j’enseigne depuis le début de l’année scolaire 2014-2015 dans le cadre de mon année de stage en responsabilité.
Dans les deux classes concernées, l’effectif est de 27 élèves et le niveau est assez hétérogène. Dans la suite du travail les classes seront appelées cinquième A et cinquième B de manière arbitraire. Pour rendre compte de l’hétérogénéité de ces classes, la figure 2 présente la répartition en terme d’effectif du niveau approximatif des élèves. Cette figure montre également le nombre d’élèves possédant un Projet d’Accueil Individualisé (PAI) permettant de présenter les aménagements nécessaires à la prise en compte de leur dyslexie. Il faut noter que dans mes classes certains élèves dyslexiques font partie des meilleurs élèves de la classe. Certains ont en effet réussi à compenser leurs difficultés et sont particulièrement à l’aise avec les sciences.
Le niveau des élèves sera estimé à partir de leur maîtrise des connaissances et des compétences du Socle commun de connaissance, de compétence et de culture (Bulletin Officiel, Juillet 2013). Les différentes compétences ont été évaluées tout au long de l’année grâce à une grille d’évaluation qui permet de visualiser très facilement le niveau de maîtrise de l’élève, ses points forts et ses faiblesses. Quatre niveaux différents ont été repérés dans les deux classes étudiées.

Prérequis des élèves et place du chapitre sur la circulation sanguine dans la progression

Dans ces deux classes de cinquième le programme est traité dans l’ordre classique proposé par le bulletin officiel. L’année a débuté par la partie « Respiration et occupation du milieu » puis a continué avec la partie « Fonctionnement de l’organisme » dans l’ordre du programme également. Les élèves ont ainsi pu étudier le fonctionnement du muscle, le fonctionnement de l’appareil respiratoire, de l’appareil digestif et l’évacuation des déchets. La circulation sanguine est amenée dans le but que les élèves puissent mettre en relation toutes ces grandes fonctions.
En guise d’accroche à ce dernier chapitre de la partie « Fonctionnement de l’organisme », la classe réalise un brainstorming dans le but de se remémorer l’ensemble des notions abordées dans les chapitres précédents. Les idées des élèves sur les éléments indispensables au fonctionnement de l’organisme sont notées au tableau sans faire le lien entre elles. Ainsi sont attendues toutes les notions étudiées précédemment concernant la digestion, la respiration et les besoins des organes. Dans la discussion est amenée une interrogation sur la fonction qui est capable de faire le lien entre toutes les autres. Grâce à leurs connaissances les élèves sont capables de répondre que c’est la circulation sanguine qui permet de faire le lien entre toutes les autres grandes fonctions de nutrition de l’organisme. C’est suite à cette phase de réflexion collective, et grâce au constat que la circulation sanguine est le point commun entre toutes les grandes fonctions de nutrition qu’intervient le premier recueil de données (Annexe 1). Celui-ci correspond à une évaluation diagnostique des connaissances des élèves sur la circulation sanguine comprenant la réalisation d’un schéma accompagné d’un texte. Une mise en commun est réalisée afin de faire émerger les désaccords entre les conceptions des élèves et les problèmes qui seront à résoudre lors du chapitre. Lors de la séance suivante les élèves réalisent une activité en groupe de quatre afin de comprendre le rôle des différents vaisseaux sanguins et de comprendre l’organisation du système circulatoire en double circulation. Suite à cette activité des questions sur l’organisation interne du cœur sont attendues. C’est à l’occasion de la troisième séance que les élèves réalisent la dissection du cœur de poulet afin de découvrir les caractéristiques du cœur et son organisation. Celui-ci permettant la double circulation en séparant le sang riche en dioxygène du sang pauvre en dioxygène. Suite aux différents bilans et schémas de cours, une animation informatique permet de discuter avec les élèves sur la simultanéité des phénomènes de la circulation sanguine. Cette animation intitulée « le système circulatoire sanguin » est disponible sur le site « biologie en flash ». La figure 3 présente quelques copies d’écran de cette animation présentée aux élèves.
Lors de la séance d’évaluation sommative les élèves rédigent un texte correspondant au second recueil de données nécessaire à l’analyse et à la comparaison des productions(Annexe 2). Le fait que ce texte n’est pas évalué est clairement signifié aux élèves. Réaliser le second recueil de données le jour de l’évaluation est une manière de s’assurer que la plupart des élèves aient relu leur cours et aient les connaissances nécessaires à la rédaction de leur explication de la circulation sanguine.

Questionnaires de recueil de données proposés aux élèves de cinquième

Deux recueils de données sont effectués au cours du chapitre et auprès des élèves de cinquième afin de comprendre au mieux comment ils articulent leur raisonnement pour formuler un texte. Un dernier recueil de données est effectué après le chapitre au cours de la partie « Géologie externe – évolution des paysages ». Cela permet de percevoir l’évolution des connaissances des élèves à propos du concept de la circulation sanguine et comment certains utilisent la technique de la mise en histoire afin d’organiser leur pensée.
Le premier recueil de données prend la forme d’un relevé de conceptions initiales des élèves. Ils ont l’habitude de ce genre d’exercice. Cette évaluation diagnostique comporte un bref rappel des notions déjà étudiées en classe afin que les élèves se concentrent uniquement sur la circulation sanguine sans perdre de temps à rechercher dans leurs souvenirs les connaissances annexes nécessaires.
Ce rappel est le suivant : « Nous avons déjà vu que le sang permet d’apporter le dioxygène et les nutriments aux organes. Nous avons également vu qu’il permet de transporter les déchets du fonctionnement de l’organisme (urée et dioxyde de carbone) jusqu’aux organes capables de les évacuer. »
Les élèves réalisent le travail seuls. Ce premier recueil de données s’articule en deux consignes. Dans un premier temps les élèves réalisent un schéma à l’aide d’étiquettes qu’ils doivent découper, coller et relier afin de représenter la circulation du sang dans l’organisme et comment celui-ci peut relier les organes entre eux.

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Table des matières
Introduction 
A/ CADRE THEORIQUE
1/ Place du concept de circulation sanguine dans les programmes scolaires
2/ Rappels sur l’historique du concept de circulation sanguine en lien avec des difficultés que pourraient rencontrer les élèves
3/ La mise en histoire : une stratégie pour apprendre
B/ METHOLOGIE DE RECUEIL DE DONNEES 
1/ Contexte du recueil des données
2/ Prérequis des élèves et place du chapitre sur la circulation sanguine dans la progression
3/ Questionnaires de recueil de données proposés aux élèves de cinquième
C/ ANALYSE DE DONNEES
1/ Méthodologie d’analyse des recueils de données
2/ Analyse des données obtenues
3/ Regard critique sur la méthode de recueil de données
Conclusion 
bibliographie 
Annexe 

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