Préparer une dissection d'organe avec une simulation
Introduction
En biologie, l'utilisation de modèle est nécessaire pour l'apprentissage des systèmes. Ceci implique l'utilisation de modèles d'organes afin d'expliquer la dynamique de ces systèmes. Parmi ceux-ci, l'étude du cœur (et ses vaisseaux) possède une place centrale de par son interaction avec les autres systèmes (respiratoire, digestif, excréteur, ...). De plus, la dissection d'un organe tel que le cœur suscite un fort intérêt auprès des élèves, car ils peuvent étudier un modèle organique différent des schémas et autres illustration en 2D largement utilisés en classe. Or, nous savons, par notre expérience, que la dissection permet essentiellement de conceptualiser la notion de "cavité" qui n'est pas évidente en 2D et de transférer l'anatomie cardiaque du schéma à l'organe 3D.
De plus, la dissection utilise principalement un modèle de cœur de mouton qui reste différent du modèle humain et de bien d'autres espèces. Il faut également reconnaitre que les travaux de dissections ne constituent pas en soi une expérience. On ne trouve pas les démarches scientifiques d'une expérience si le travail de dissection ne sert qu’à observer les cavités ou la texture de l'organe. On constate lors des dissections, une motivation pour les plus téméraires et parfois du dégout de ceux qui présentent aversion. Il arrive même que l'expression négative d'un élève entraine quelques-uns de ces camarades dans un refus d'effectuer le travail. Le risque est alors de perdre une partie de la classe et d'être confronté des difficultés autres que pédagogiques.
Il est clair que ce genre d'activité ne laisse pas les élèves indifférents, mais pourrait être optimisé afin de surmonter quelques difficultés et peut-être pousser plus loin l’intérêt pédagogique des dissections en cours de biologie. C'est dans ce cadre que nous souhaitons utiliser un artefact d'illustrations interactives afin de permettre l'autonomisation des élèves lors d'une dissection mais surtout de permettre d'exploiter de manière optimale la dissection afin qu'elle devienne un outil de réflexion.
Cette séquence s'inscrit dans le programme défini par le Plan d’Étude Romand. MSN 37 : Systèmes digestifs, cardio-vasculaire et respiratoire-Les systèmes du corps humain-Le système circulatoire. Elle aborde les démarches suivantes: MSN 35A: mobiliser des représentations graphiques.MSN 35D communiquer ses résultats et en présentant des modélisations. MSN 35G: recourir à des modèles existants. MSN 35/37: Utilisation de ressources externes.
L'élève doit être capable de repérer sur un schéma les principaux organes du système cardiovasculaire (artères, veines, oreillettes, ventricules) afin de faire l'aacquisition d'une représentation du système cardiovasculaire.
Objectifs
Éloigner le rôle de l'apprentissage de la nomenclature afin de se concentrer sur physiologie cardiaque.
Aider les élèves à s'autonomiser durant les tâches qu'ils effectuent.
Être capable d'éprouver les fonctions des différentes parties du cœur, lors de la dissection et les mettre en relation avec le système circulatoire.
Permettre aux élèves de diminuer l'appréhension, le dégoût envers la dissection d'un organe.
Problématique
Comment exploiter de manière optimale une dissection d'organe en autonomisant l'élève dans son travail et ainsi en faire un outil de réflexion plus intéressant dans le cadre de l'étude du système circulatoire.
Conjectures
CJ1 L'apprentissage en amont de la nomenclature des différentes parties du cœur va permettre aux élèves d'avantage se mobiliser sur la physiologie cardiaque.
CJ2 L’artefact de simulation permet à l’élève de visualiser sa tâche pratique et de se familiariser avec la technique de dissection, le but étant de l’autonomiser dans la tâche.
CJ3 L’approche par simulation prépare psychologiquement l’élève dans une tâche émotionnellement pas toujours évidente à gérer.
Artefact
Une archive SVT, propose une dissection d'un cœur d'agneau, étape par étape. Des photos de cœurs sont affichées et un passage de la souris sur les photos présente d'abord les zones du cœur, puis les lignes de dissections ainsi que des critères d'identifications des vaisseaux sanguins.
http://www.svt.ac-versailles.fr/archives/docpeda/actpeda/lycee/coeur/index.html
Voici une description non exhaustive de ce que présente l’artefact:
Présentation du matériel nécessaire à la dissection.
Des explicitons sont fournies à l'élève par l’intermédiaire de l'artefact et permet ainsi à l'élève de découvrir l'anatomie du cœur mais aussi d'observer les cavités.
La démonstration à l'aide des sondes permet d'observer la connexion les différent vaisseaux avec les cavités du cœur.
L'artefact présente l'organe dans ses axes principaux, l'observation des vaisseaux se fait en interaction avec l'élève qui doit révéler la légende pour faire le lien avec le modèle de dissection .
Les consignes sont accompagnées d'une photo du résultat de la manipulation.
Les clichés sont présenté dans l'axe permettant une observation visuelle très proche du modèle utilisé en dissection. On observe ici les caractéristiques qui différencient les ventricules droit et gauche.
L’artefact propose également des clichés des valvule et interroge l'élève sur sa fonction.
Mise en place
Introduction théorique: 15 minutes:
Durant cette première période, il est important de donner les informations nécessaires à l'exploitation de l'artefact. Selon nous, il est important de connaître les 3 types de vaisseaux ( caractéristiques, rôles et anatomie), d'avoir une idée assez précise de la double circulation (pulmonaire et systémique) et donc connaître la provenance et la destination du sang selon la partie du cœur étudiée.
Création du plan de dissection grâce à l'artefact: 75 minutes
En salle d'informatique, ils vont devoir compléter un plan de dissection en s'appuyant sur l'artefact. Il est très important d'insister sur le fait qu'ils construisent un outil qui va les aider à exploiter la dissection. Le plan de dissection est composé de phases. Une première phase qui va être complétée en salle d'informatique, et une seconde lors de la dissection. Les parties à compléter, lors de la première phase, obligent les élèves à parcourir minutieusement l'artefact afin de compléter le plus efficacement possible le plan de dissection. Elle permet de bien situer les différentes parties du cœur, mais essentiellement de définir des critères de reconnaissances afin de les utiliser lors de la dissection. La seconde phase comporte les éléments qui seront demandés aux élèves durant la dissection (cavités, vaisseaux, ...). Nous avons choisi de les transmettre afin que les élèves soient conscients de ce qui va être demandé. Mieux ils auront définis les critères de reconnaissances, plus ils pourront se concentrer sur les questions de raisonnement qui porteront sur l'anatomie des différentes parties du cœur.
Dissection du cœur: 90 minutes
Au cours de ces deux périodes, les élèves vont devoir utiliser le plan de dissection complété lors de la leçon précédente. Ce dernier comporte des "checkpoints" afin que les élèves puissent passer à l'étape suivante. Ces points de contrôles sont soit notionnels (indiquer/reconnaître les différentes parties du cœur), techniques (contrôle avant l'incision) ou qualitatif (contrôle après l'incision). Nous comptons également le temps de préparation (port des gants, précaution d'utilisation des instruments) et le rangement.
Ébauche de scénario et de méthode pour récolter les traces en lien avec les conjectures posées
A l'aide de l'artefact proposé et d'une fiche (document) préparée par l'enseignant pour guider l'élève dans sa tâche, l'apprenant premièrement visualise virtuellement un cœur, deuxièmement prépare sa dissection. Par l’intermédiaire de l’artefact, l’élève situe les zones du cœur, dégage les éléments morphologiques qui lui permettront d’effectuer correctement la dissection (face ventrale/dorsale, côté gauche/droite, sillon inter-ventriculaire). Toujours pas l’intermédiaire de l’artefact, l’élève incorpore à son document de préparation les lignes de dissection des ventricules gauche/droite ; par l’aspect coloré il apprend à reconnaître veines et artères. A la fin de l’activité l’enseignant récupère les documents (traces), les inspecte et les redistribue aux élèves avant la dissection réelle.
Cette phase permet à l’enseignant de discerner les élèves qui, grâce à l’artefact de simulation, sont parvenus à se familiariser avec la technique de dissection, de ceux qui n’y sont pas parvenus (cj 2). Pendant la tâche de dissection les élèves doivent se référer à leur document pour effectuer la dissection. L’enseignant passe dans les groupes (dissection en groupe de 2-3 élèves), une première fois pour vérifier que les élèves ont bien repéré l’artère pulmonaire, une deuxième fois pour vérifier que la ligne de découpe est correcte. Pour ces 2 contrôles, l’enseignant attribue des points (trace). Cette trace permettra d’établir si l’artefact de simulation a effectivement aidé l’élève dans sa tâche de dissection (conjecture 1).
Juste avant l’activité de préparation à la dissection, l’enseignant prend note du nombre d’élèves ayant une réaction négative dans l’optique de réaliser une dissection (trace) ; de même juste avant l’activité de dissection l’enseignant relève à nouveau les élèves ayant une appréhension négative (trace). La comparaison de ces deux dernières traces permet d’établir si l’activité de préparation liée à l’artefact de simulation aide l’élève à dépasser la barrière psychologique face à la manipulation d’organes (conjecture 3).
Document accompagnant l'utilisation de l'artefact:
Traces
Les traces récoltées se présentent principalement sous forme écrite sur le document fourni à l'élève, dans lequel il doit repérer le matériel utilisé et les lignes d'incisions qu'il faudra respecter lors de la dissection. Les réponses de l'élève représentent les observables qui serviront à mettre en évidence une tendance quant à l'apport de la séquence. Des traces également orales ont été relevées afin de percevoir l'appréhension de l'élève à réaliser un travail pratique sur un organe. Des réactions de dégouts pouvant être percue à travers des mots ou phrases, voire la volonté de ne pas réaliser la dissection. Nous présentons ici quelques exemple de traces récoltées.
Résultats
EO1:
Les éléments attendus de la première conjecture sont axés sur l'apprentissage de la nomenclature. Les observables en lien sont basés sur la réussite ou non de l'élève à transférer une légende présentée dans l'artefact, sur un schéma. Les élèves sont obligés d'utiliser une nomenclature correcte pour répondre aux questions et ainsi obtenir des points.
Nous pouvons ainsi présenter un histogramme représentant le taux de réussite du groupe d'élèves. Nos résultats nous montrent que les questions concernant la différenciation entre les artères et les veines ont été réussies à 100%. De plus, 76% des élèves ont été capable d'indiquer et de nommer les quatre vaisseaux principaux (aorte, artère pulmonaire, veines caves et pulmonaires). Finalement, la nomenclature des quatre cavités cardiaques a été réussie à 71%.
Les résultats présentés dans le deuxième histogramme, représentent la réussite aux questions de réflexion sur la physiologie cardiaque. 63% ont été capable de justifier les différences de parois entres les oreillettes et les ventricules, 77% des élèves ont expliqué la différence d'épaisseur entre les deux ventricules. 76% ont expliqué le rôle des valvules. La notion de sang riche/pauvre en oxygène est justifiée correctement par 61% des élèves. De plus, nous avons posé deux questions mobilisant grandement leur capacité de réflexion. 63% ont réussi à prédire (en justifiant) les conséquences d'une ouverture entre la partie droite et gauche du cœur. Enfin, 66% d'entre eux ont réussi à transférer les connaissances acquises pour expliquer les différences entre la circulation fœtale (circulation pulmonaire inutile) et celle d'un adulte (circulation pulmonaire vitale).
Pour une vision plus globale, des résultats de notre séquence, nous avons fait un graphique comparant toutes les questions anatomiques et physiologiques. Les taux de réussite sont de 92% pour les questions anatomiques, et 68% pour la compréhension physiologique.
Figure 1 : Résultats, nomenclature
Figure 2 : Résultats, physiologie
Figure 3 : Résultats, anatomie vs physiologie
EO2:
L'élève doit repérer le matériel nécessaire avec lequel il va devoir réaliser sa dissection et transfert les notions d'anatomie et de découpe de l'organe sur son document. Dans ce cas nous attribuons également des points dans la préparation du travail pratique. Cette attribution de points nous permet de contrôler la qualité du plan de dissection effectuer par les élèves car lors de la dissection, les élèves sont ne reçoivent aucune consigne de l'enseignant. Nous avons constaté que leur préparation à eu d'excellentes retombées sur leur autonomie. En effet, 98% des incisions ont été effectuées correctement par les élèves sans aucune consigne supplémentaire.
Figure 4 : Résultats, pratique d'incision
EO3:
Un comptage du nombre d'élèves ayant des mots de dégoûts juste avant le mitic est réalisé, la même procédure est appliquée juste avant la dissection. 53% des élèves ont réagi négativement lors de la phase "Mitic", cette valeur s'est abaissée à 7% lors de la phase "dissection". Nous avons constaté que les élèves ont abordé sereinement la dissection, alors que l'idée de faire une dissection avant la phase "Mitic" étaient mal perçue par une moitié des élèves. Il est aussi juste de remarquer que les élèves avec une très forte appréhension lors du Mitic (quasi refus de pratiquer la dissection) ont maintenus leur appréhension juste avant la phase de dissection, celle-ci c'est rapidement effacée pendant la dissection.
Figure 5 : Résultats, psychologie.
Discussion
Nous présentons nos discussions selon 3 axes principaux selon l'apport de l'artefact sur:
L'acquisition de la nomenclature et la transposition de celle-ci sur le cœur
L'utilisation de l'artefact nous a permis concentrer l'apprentissage sur des réflexions de physiologie et non sur l'acquisition de la nomenclature. En effet, l'élève doit utiliser la nomenclature correcte afin de répondre aux questions. Il ne s'agit donc pas d'une séquence d'apprentissage dédiée principalement à la nomenclature, mais d'une contrainte nécessaire pour pouvoir répondre aux questions. Cette partie est intégrée dans le travail réalisé par l'élève et devient alors secondaire, comme englobée dans dans une réflexion plus large. L'enseignant n'a donc pas besoin de présenter l'anatomie du cœur de façon frontale, l'élève récolte les informations dans l'artefact pour articuler ses réponses sur le document fourni qui lui servira de protocole lors de la dissection.
Les schémas présents sur le document sont identiques à ceux de l'artefact, donc le transfert est facilité et l'élève rentre dans une démarche simple qui consiste dans un premier temps à légender ses schémas. Nous avons chercher à alléger cette étape et à l’intégrer au maximum à la séquence Mitic. Les élèves se sont mis spontanément à utiliser le vocabulaire adéquat lors du Mitic après une phase d'adaptation, soit en répondant aux questions du documents ou en posant des questions orales. Ceci pourrait être considéré comme un gain de temps lors de la mise en œuvre de la séquence. l'élève est en fait immerger dans une démarche avec laquelle il devra se familiariser pour construire son protocole.
Un côté intéressant du Mitic réside dans l'interactivité de l'élève et le support. On constate souvent un grand intérêt de l'élève à effectuer des cours en salle informatique. Dans le but de varier un maximum les supports et ainsi les canaux, on peut considérer l'apport du Mitic comme non négligeable dans la balance de motivation de l'élève. Les élèves commencent à accumuler des savoirs et veulent savoir ou découvrir le modèle "réel" Les résultats nous montrent que dans le cas de la nomenclature, le taux de réussite est globalement très bon lors de l'exercice Mitic et de la dissection.
La transposition d'un modèle 2D à un modèle 3D reste une étape importante dans l'apprentissage des systèmes. Dans l'artefact, nous nous sommes appuyé sur un modèle très proche du modèle utilisé en dissection, évitant ainsi les mauvais transferts qui pourrait apparaitre avec l'utilisation de schémas trop éloignés du réel. Si nous ne voulons pas que l'élève reste ancré toute sa vie avec une conception anatomique en deux dimensions, on peut affirmer que l'observation d'un modèle réel soit une étape légitime dans l'apprentissage. Mais il n'en reste pas moins qu '"un" modèle parmi tous les nombreux autres. Le travail de transfert sur un modèle humain, par exemple, devra aussi se faire même si les organes sont proches anatomiquement.
L'autonomisation des élèves durant une dissection
Le point important de cette séquence repose sur le transfert des lignes de découpe et des manipulations des sondes. Si l'élève ne les repère pas ou mal, il suivra les mauvaises instructions. Il est donc important que l'enseignant assure des points de contrôles lors du Mitic et lors de la dissection, respectivement afin d’institutionnaliser le document et récolter les point dans le but d'évaluer l'élève.
Toutefois, même si les élèves se sont montrés à l'aise avec l'utilisation de l'artefact et du document, certaines erreurs persistent chez quelques uns lors de la dissection. Étonnamment, Nous pensions devoir intervenir d'avantage afin de donner des indications supplémentaires pour les incisions. Il est clair qu'observer une dissection n'est pas la même chose qu'en réaliser une. Nous pouvons alors penser que l'aspect kinesthésique, présent uniquement lors de la dissection, serait responsable en partie de ces erreurs. En effet, cela doit mobiliser chez l'élève une motricité précise. Nous insistons sur le fait que cet artefact sert principalement d'illustration et non de simulation. Sa légitimité se rattache à son utilité dans l’apprentissage de la nomenclature. Toutefois, il était intéressant d'évaluer les gestes techniques bien qu'ils ne représentent pas un objectif en soi.
Si cette difficulté ne semble pas pouvoir être annulé, on peut essayer de la réduire dans une progression vers une conception en 3D. La qualité de la réalisation permettra une meilleurs observation et surement une meilleure analyse. On pourrait penser que d'avoir déjà effectuer une démarche réflexive sur un modèle en 2D permettrait de réactiver les notions lors de la dissection et non pas les créer. En ce sens, la démarche à déjà été effectuée par l'élève, ce que justifie un peu plus une évaluation. L'élève ne réalise pas pour la première fois la démarche.
Il serait également intéressant du point de vue statistique d'inverser la dissection et la séquence Mitic. Dans ce cas, il faudrait ajuster le Mitic dans le but de ne plus en faire un outil de découverte anatomique mais un outil permettant une réflexion autour de situations problèmes, par exemple. Il serait nécessaire de trouver un artefact axé dans ce sens.
Dissection et charge psychologique
Le comportement des élèves est difficile à évaluer, surtout quand il se situe dans la période de l'adolescence. On ne peut donc pas juger de manière pertinente les résultats obtenus. Également on ne peut certifier que le Mitic en-soi soit la résultante de l'allégement psychologique observé. En effet, l'artefact était chargé de photos présentant le cœur (voir Artefact ci-dessus), il est fort possible que ces photos aient eu une influence sur les réactions sereines observées avant la phase de dissection. Un livre avec des photos aurait donc probablement eu le même effet. Cependant l'utilisation de matériel informatique tend à remplacer le livre; dans ce contexte l'artefact employé est une forme idéal, puisqu'il allie la présence d'un grand nombre d'images du cœur avec une part d'interactivité.
La compréhension de la physiologie cardiaque
Nous ne somme pas certain que ce soit l'artefact lui-même qui améliore directement la réflexion durant la dissection. Certes les élèves ont pu citer les cavités et vaisseaux du cœur, mais ils auraient très bien pu faire le même raisonnement lors de la dissection. Toutefois cela aurait pris plus de temps pour effectuer un développement réflexif sur la physiologie. De plus, l'apprentissage efficace de la nomenclature conjuguée avec le gain de temps consacré à l'observation de la physiologie vont alléger la chargecognitive sur les élèves afin qu'ils se mobilisent sur la compréhension des phénomènes physiologiques.
Améliorations possibles
En vue des résultats obtenus, il est clair que l'artefact permet une grande acquisition de l'anatomie cardiaque, mais la marge de progression concernant la compréhension physiologique est encore importante. Afin d'améliorer encore le taux de réussite de ces questions de réflexion, nous avons penser à plusieurs pistes:
Faire écrire des hypothèses lors de la passation de l'artefact concernant les questions de réflexions afin que les élèves s'approprient la question et qu'ils commencent à y penser en amont.
Modifier l'ordre des questions afin que les élèves puissent suivre un fil conducteur à travers les questions, et que ce fil soit similaire au cheminement à travers la double-circulation.
Optimiser les questions, en donnant un peu plus d'information, afin de donner un cadre plus important et éviter ainsi que la réflexion ne se disperse dans tous les sens.
(ex: remplacer: "Quelle est la différence entre les deux ventricules? Justifier l'impact de cette différence sur la circulation" par "Quelle est la différence au niveau des parois des ventricules? Justifier l'impact de cette différence sur la circulation") Cette petite modification, permettrait aux élèves d'orienter leur réflexion sur l'épaisseur de la paroi et non pas sur la "taille" (volume) des ventricules.