Activité SVT et maths 2de et TS : du pollen à toutes les sauces

Une activité proposée par Jonathan Faivre professeur de SVT et Emmanuel Brunache professeur de maths au Lycée Paul Eluard de Saint-Denis avec le soutien de l'IREM de Paris Nord.

Niveau : 2nde et prolongement en TS enseignement de spécialité

Nombre de séance : 3

Testé : oui

Mots clés : Pollen / diagramme pollinique / glaciation / climat / fréquences / fréquences cumulées croissantes / médiane / quartiles

Ce travail a pu être construit grâce aux nombreuses ressources et informations disponibles sur la plateforme ACCES de l’IFE (Institut Français de l’Éducation).

L'objectif est d'analyser des données polliniques et de les interpréter à partir d'outils mathématiques afin de confirmer les interprétations climatiques qui sont effectuées à partir des pollens récoltées au sein de strates sédimentaires dont les ages ont été estimés.

Cette séquence a été construite dans le but de faire le juste compromis entre le traitement du programme et la mise en place d’un enseignement inter-disciplinaire SVT - Maths.

Enfin, cette séquence a été pensée pour aboutir à une remédiation sur certaines notions mathématiques liées au traitement statistique, ainsi elle répond a un besoin local et nous en proposerons des modalités de déroulement différentes.

La séquence est organisée autour de 3 séances successives qui sont adressées à des élèves de 2nde. Une adaptation proposée au niveau Terminale S dans le cadre des enseignements de spécialité est également proposée dans ce document.

Figure 1 : Résumé de la séquence proposée dans le cadre d'un enseignement SVT - Maths

I)Focus sur les deux premières séances, reconnaissance et interprétation des données polliniques :

La 1ère séance permet de poser les bases de la science qui s'intéresse au pollen, la palynologie.

Cette science permet de retrouver les associations de végétaux qui ont pu se succéder dans un passé récent (centaines de milliers d'années). L'étude des cortèges de végétaux via cette méthode est à prendre avec précautions car tous les pollens retrouvés dans une strate offrent une vision de la biodiversité mais non exhaustive car cela ne concerne que les plantes à fleurs.

Cette 1ère séance permet d'illustrer la biodiversité spécifique à travers l'exemple des plantes à fleurs et en partant d'une situation déclenchante qui envisage la recherche du lieu d'un trésor par l'étude des grains de pollen retrouvés sur la clé d’un coffre.

Cette mise en situation contient diverses informations :

-Une « carte au trésor » qui constitue le support de la situation problème.

-Trois « témoignages indigènes » qui imposent aux élèves de trouver une solution afin de faire un choix sur le bon témoignage.

-Une liste de matériel permettant aux élèves de proposer une démarche de résolution complète.

Cette séance est aussi l’occasion d’appréhender les différents critères attendus dans le cadre d’une démarche de résolution (Ce que je cherche, ce que je fais, avec quoi et ce que je m’attends à observer).

Lorsque les élèves ont pu proposer la démarche de résolution suffisamment complète, un protocole expérimental détaillé peut leur être fourni. Cette étape est aussi l’occasion pour les élèves d’employer une fiche technique pour le logiciel « Paléobiomes2 »¹.

Les élèves disposent d’une lame contenant le prélèvement des grains de pollen sur la clé du coffre à retrouver, la lame peut-être préparée en amont ou être une lame du commerce dans ce cas peut-être faudra-t-il modifier la mise en situation. La fiche de reconnaissance des grains de pollen est celle de « paléobiomes » pour familiariser les élèves avec le logiciel.

Retours sur la 1ère séance : La 1ère séance permet au élèves de se confronter à une situation problème. Si les élèves ont déjà utilisé le microscope et si ces derniers ont déjà été familiarisés à l’utilisation de fiche technique elle se déroule très bien au cours d’une séance de 1 h 30 de TP.

La 2ème séance est axée sur les utilisations des grains de pollen notamment dans la reconstitution des climats du passé ou paléoclimats. Cette séance utilise également le logiciel « paleobiomes ».

Ce logiciel permet d'établir et d'interpréter des diagrammes polliniques. La séance doit aboutir à la validation de l'hypothèse d'un changement climatique étayé par les cortèges de végétaux et leur évolution dans le temps.

Cette séance débute sur une situation problème qui cette fois présente l’évolution climatique de ces 20 000 dernières années. L’idée est ici de faire construire une démarche de résolution par les élèves permettant de mettre en relation les variations climatiques et l’évolution des associations de végétaux. Cette fois la démarche de résolution peut faire l’objet d’une évaluation sur les critères² construits à la 1ère séance.

Puis un protocole détaillé peut-être fourni aux élèves.

A l’issue de la réalisation de ce protocole les élèves obtiennent trois diagrammes polliniques et peuvent à partir du logiciel déterminer le climat global pour les trois périodes qui nous intéressent (-5000 ans, -13950 et -21095 ans).

Un bilan peut-être proposé à l’issue de cette séance permettant aux élèves de consolider leur travail et de valider l’idée que les cortèges de végétaux renseignent sur les climats passés et les variations climatiques à travers la variation de ces cortèges.

Un diaporama est proposé en suivant le lien suivant : diaporama

Retours sur la 2ème séance : La deuxième séance est également abordable pour les élèves sur une durée de 1 h 30 en TP

II)La 3ème séance, travail statistique et développement de l’esprit critique des élèves autour des données polliniques :

A)Séance initiale :

La 3ème séance doit permettre aux élèves de prendre conscience de la méthode utilisée pour aboutir aux conclusions climatiques déjà abordées dans la séance 2. Les élèves peuvent prendre conscience de l'utilité des mathématiques pour construire des hypothèses quant à l'évolution du climat passé. Dans cette séance on s'attache à articuler les données biologiques avec les outils mathématiques afin d'établir des complémentarités entre les deux disciplines.

Cette séance s’appuie sur plusieurs supports :

-Une fiche activité pour les élèves qui s’articule autour de ressources ciblées sur les deux végétaux étudiés et une série de questions exploitables en classe de mathématiques.

-Un document pour les élèves permettant de recenser leur résultat si l’on souhaite réaliser les calculs à la main.

-Un tableur permettant aux élèves de travailler sur un support informatique : version xslx ou version ods.

Des aides peuvent être envisagées au cours de cette activité.

A la suite de cette séance on peut aboutir à ce type de traitement sur le tableur : ici

L’intérêt de cette méthode de travail est de montrer clairement aux élèves l’articulation entre les mathématiques et les SVT. En effet, l’idée est de les contraindre à opérer un raisonnement en SVT en exploitant des données résultants de l’analyse statistique et d’un tirer des conclusions quant à l’évolution climatique.

L’autre intérêt majeur de cette progression est de développer l’esprit critique des élèves face à des données statistiques qui pourraient être fournies. En effet, les conclusions qu’ils peuvent développées se font à l’échelle locale et se font également à partir de deux espèces uniquement.

L’objectif est de leur faire prendre conscience que l’étude des cortèges de végétaux permet de renforcer leurs conclusions et d’affiner les interprétations en terme de variations climatiques.

Cela permet ensuite d’élargir la réflexion à celle de la biodiversité à l’échelle des écosystèmes et plus largement des biomes³, un support peut leur être fourni en fin de séance pour prolonger la réflexion.

Retours sur la 3ème séance : La 3ème séance est très longue si on décide de faire réaliser les calculs à la main sur le support documentaire. L’utilisation du tableur est nécessaire si on souhaite discuter avec les élèves autour des interprétations biologiques du traitement statistique de ces séries.

On peut envisager un prolongement de cette séance en mathématiques notamment avec le tracé de courbes de tendance et calculs de coefficient directeur permettant d’envisager des vitesses d’apparition et de disparition.

B)Séance version tache complexe :

La séance peut aussi être envisagée en tache complexe.

Dans ce cas on peut proposer la consigne suivante :

« En tant que géologue votre laboratoire de recherche vous missionne sur le site de Banyoles. Votre objectif est d’exploiter d’un point de vue statistique les données polliniques de Banyoles afin d’en tirer des conclusions quant à l’évolution climatique dans la région de Banyoles.

Vous expliquerez également à votre chef de laboratoire en quoi les données qu’il vous a fourni ne sont pas suffisantes et pourquoi il serait nécessaire de poursuivre les prospections dans la région de Banyoles »

Les supports documentaires directement accessibles aux élèves sont :

-Le tableur des données polliniques présentés ci-dessus en version xslx ou ods.

-Le logiciel « paléobiomes2⁴ »

-La fiche technique du logiciel « paleobiomes2 »

Plusieurs documents peuvent être demandés par les élèves ou donnés par le professeur lorsque les élèves identifient un besoin d’informations pour progresser dans leur démarche :

-Un protocole pour retrouver les exigences climatiques des espèces.

-Des aides permettant d’exploiter les données en calculant des fréquence et fréquence cumulée.

-Une aide à l’exploitation de la médiane.

-La répartition des biomes terrestres associés à la définition de biomes permettant de faire réfléchir les élèves autour des limites de l’étude de deux espèces.

III)Un prolongement possible en Terminale S :

De nombreux sujets d’ECE portent sur l’étude de tourbes dans le cadre d’une identification des espèces de plantes à fleurs.

Ces ECE pourraient être couplés à une analyse statistique afin d’axer le développement de l’esprit critique chez les élèves.

Matériel nécessaire pour mettre en œuvre la séquence : Lames de commerce dans lesquelles on peut retrouver des cortèges de grains de pollen / logiciel paléobiomes /