TraAM Classes inversées 2016-2017

L’évolution de la biodiversité en classe inversée - Seconde Elea, logiciels Phalènes / Evolution allélique / Dérive génétique

L’objectif de cette expérimentation est de tester un dispositif de pédagogie inversée en classe de seconde à propos des mécanismes de l’évolution des êtres vivants, tout en mettant l’accent sur l’autonomie au sein de la classe et à l’extérieur. Il s’agira aussi d’évaluer la pertinence du dispositif, ses plus-values, mais également de montrer quelles sont les difficultés que l’on peut rencontrer dans ce type de démarche.


Professeur expérimentateur

  • Jean-Claude LYONNET, Lycée Jules Ferry, 78 CONFLANS SAINTE HONORINE
LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné Seconde
Partie du programme : Thème 1 – La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution du vivant : une planète habitée
La biodiversité, résultat et étape de l’évolution
PLACE DANS LA PROGRESSION
La diversité des allèles a été abordée précédemment dans une partie sur les différents aspects de la biodiversité. On a appris à calculer la fréquence des allèles dans une petite population.
MOTIVATION DU CHOIX DE LA SEQUENCE A INVERSER
Les notions de dérive génétique et de sélection naturelle sont très complexes pour le niveau seconde. Je souhaitais permettre aux élèves d’appréhender ces notions de manière plus concrète avec l’utilisation du logiciel en ligne "Phalènes" (chronophage) et une première utilisation du modèle "dérive génétique". Je souhaitais également avoir un retour à travers les QCM proposés après chaque activité.
La reprise des notions en début de séance est destinée à corriger une première fois les représentations des élèves.

Les années précédentes, j’utilisais déjà en classe le logiciel « dérive génétique » en demi-classe avec un poste par élève. Il était long d’établir dans un premier temps l’importance du hasard dans la transmission des allèles d’une génération à l’autre puis de montrer l’impact de l’effectif de la population (nombre d’allèles présents à chaque génération). Il était difficile (et compliqué) d’aborder la notion de sélection naturelle dans la même séance. Je n’utilisais pas la modélisation du logiciel « Phalènes » de Pascal Cosentino, faute de temps.
PROBLEME A RESOUDRE
On cherche à identifier les principaux mécanismes de la modification de la biodiversité dans le temps.
NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, COMPETENCES
Notions Extrait du Bulletin officiel spécial n° 4 du 29 avril 2010
… La dérive génétique est une modification aléatoire de la diversité des allèles. Elle se produit de façon plus marquée lorsque l’effectif de la population est faible. La sélection naturelle et la dérive génétique …
Savoir-faire Utiliser une plateforme de formation en ligne et des logiciels de modélisation et simulation
Compétences Manipuler, utiliser un logiciel de modélisation pour comprendre la dérive génétique ou la sélection naturelle.
ACTIVITE
Durée :

  • Avant la classe : réalisation du parcours : 1h00 à 1h30
  • La séance de TP en salle informatique : 1h30
  • Evaluation : 30 minutes pour un exercice d’identification du mécanisme d’évolution à partir d’exemples.
  • Temps total : 3 h à 3h30
Coût : 0 Sécurité : RAS
Outils numériques et ressources
  • Plateforme Eléa (évolution d’une plateforme Moodle)
  • Logiciel Phalènes Modélisation de la chasse aux phalènes par leurs prédateurs avec enregistrement de la variation des fréquences génotypiques et alléliques.
  • Logiciel Dérive génétique Modélisation de la dérive génétique par tirages aléatoires successifs.
  • Logiciel Evolution allélique Modélisation de l’évolution des fréquences de deux allèles selon leur valeur sélective.

Déroulement de la séquence

Avant la classe

• La diversité des allèles a été abordée précédemment dans une partie sur les différents aspects de la biodiversité. On a appris à calculer la fréquence des allèles dans une petite population.

• J’ai demandé aux élèves de suivre le parcours à la maison ou au CDI (PC en libre-service).
Dans le parcours, basé sur la version de base d’un parcours gamifié ELEA, l’élève doit dans un premier temps passer deux petits tests (correspondance entre des images et des niveaux d’organisation – molécule organique ou minérale, ADN, cellule – puis définitions de allèle et d’ADN)

• Il est ensuite demandé de réaliser une simulation de l’évolution des phalènes du bouleau en se replaçant dans des conditions similaires à celles de l’Angleterre lors de la révolution industrielle.

• Présentation de la situation :

la mission commence !
Les phalènes du bouleau sont des papillons nocturnes qui passent la journée plus ou moins immobiles sur des pierres ou sur l’écorces des bouleaux.
Dans un environnement non pollué les supports des phalènes sont clairs, mais après une pollution intense en Angleterre lors de la révolution industrielle, les papillons se posaient sur des supports sombres.
Les phalènes sont principalement consommées par des oiseaux (prédateurs).
Alors qu’il n’existait que des papillons de couleur claire, on vit apparaître des papillons sombres qui sont devenus de plus en plus nombreux.
Plus tard, dans les régions où la pollution a diminué, les formes claires sont redevenues les plus nombreuses dans les populations de phalènes.

• Les paramètres de la simulation sont imposés : population de phalènes claires, rythme des mutations du gène de la couleur des individus, support sombre.
L’élève chasse les phalènes claires et sombres sur un fond sombre avec sa souris et il a pour consigne d’effectuer 10 saisons de chasse. Le logiciel comptabilise la modification des fréquences des phénotypes et des allèles dans la population.

Attrape les phalènes !
Les phalènes sombres possèdent un allèle C+ apparu par hasard dans la population de papillons et qui est responsable de la couleur de leurs ailes.
La couleur est donc due à une différence génétique (voir aussi le texte du jeu proposé).
Dans l’activité proposée, tu dois te mettre à la place des oiseaux prédateurs des phalènes.
Pour reconstituer l’évolution des phalènes d’Angleterre après pollution, tu choisiras au début :
100 % de phalènes blanches,
Fréquence des mutations : communes 1 % (pour obtenir des résultats plus nets),
des arbres avec écorce foncée.
Tu chasseras les phalènes sur dix ou onze saisons de chasse, puis demanderas le graphique pour décrire ensuite l’évolution observée (questionnaire).
BONNE CHASSE ! (clic droit pour ouvrir dans une nouvelle fenêtre ou un nouvel onglet)


La chasse aux phalènes doit permettre de montrer, sur 10 générations les variations des effectifs de phalènes sombres et blanches et des fréquences alléliques.
On peut visualiser le graphique des résultats.

• L’élève doit rendre le graphique obtenu (exemple de production ci-dessous)
L’élève doit capturer le graphique d’évolution de ces paramètres puis le coller dans une page de traitement de textes et enfin le déposer sur le serveur. Certains ont déposé le fichier image de la capture d’écran.

Un QCM permet d’évaluer la compréhension du phénomène étudié. Il peut y avoir plusieurs réponses justes.

  • Les phalènes sombres sont
    A sales à cause de la pollution
    B devenues moins nombreuses
    C devenues plus nombreuses
    D apparues par hasard
  • Le pourcentage de phalènes sombres
    A est indépendant de la fréquence de l’allèle C+
    B augmente avec la fréquence de l’allèle C+
    C diminue avec la fréquence de l’allèle C+
    D augmente avec la fréquence de l’allèle c
  • Les phalènes claires
    A sont plus consommées que les sombres par les oiseaux prédateurs sur le support sombre
    B sont moins consommées que les sombres par les oiseaux prédateurs sur le support sombre
  • Les phalènes sombres
    A sont désavantagées par leur couleur dans un environnement pollué
    B ne sont ni avantagées ni désavantagées par leur couleur dans un environnement pollué
    C sont avantagées par leur couleur dans un environnement pollué

Un jeu du millionnaire complète le bilan :

  • Avant l’évolution en Angleterre
    A Il y avait plus de phalènes sombres
    B Il y avait autant de sombres que de claires
    C Toutes les phalènes étaient sombres
    D Toutes les phalènes étaient claires
  • L’allèle C+, responsable de la couleur sombre,
    A est apparu à cause de la pollution
    B rend les oiseaux malades
    C est apparu par mutation au hasard
    D cause la mort des phalènes claires
  • les variations des pourcentages de phalènes sombres
    A sont dues au hasard
    B sont dues à la fragilité des phalènes sombres
    C sont indépendantes de l’environnement
    D sont dues à l’action de l’environnement
  • L’environnement pollué
    A favorise directement les phalènes claires
    B favorise directement les phalènes sombres
    C favorise directement l’allèle c
    D favorise directement l’allèle C+
  • La meilleure survie des phalènes sombres
    A Les rend directement plus nombreuses à la génération suivante
    B leur permet de reproduire plus que les claires
    C ne modifie pas leurs chances de se reproduire
    D Pousse les phalènes claires à fuir la région
  • La fréquence de l’allèle C+
    A augmente car il est moins bien transmis à la descendance en milieu pollué
    B augmente car les phalènes claires meurent et leurs allèles disparaissent
    C augmente car l’allèle C+ est consommé par les oiseaux
    D augmente car les phalènes sombres se reproduisent mieux que les claires

• La notion de dérive génétique est ensuite abordée avec le logiciel en ligne « dérive génétique ».
J’ai replacé l’activité dans le cadre de l’évolution d’une population d’élevage de l’escargot des haies que nous avions observé lors du travail sur la notion de biodiversité.
Sans modifier les paramètres de la simulation, Il est demandé à l’élève de tester en combien de « générations » le hasard arrive à éliminer tous les allèles sauf un.

Les escargots des haies : simulation du hasard

On tente d’observer l’évolution des animaux d’un petit élevage. On dispose de 8 individus qui sont différents pour un caractère dû à un gène.
Par exemple ce serait la couleur des escargots des haies recueillis dans la nature.
Les individus possèdent des allèles différents apparus par mutation au cours des générations précédentes.
Ils peuvent se reproduire totalement au hasard : dans la cage d’élevage, on suppose qu’aucun d’entre eux n’est avantagé par les allèles qu’il possède.
On va alors simuler l’évolution de cette petite population d’une façon simplifiée.
Pour simplifier l’étude on représente notre population par les allèles qu’elle possède : 2 allèles chacun et donc 16 allèles en tout.
Les escargots pouvant s’accoupler avec n’importe quel autre individu, chacun peut alors transmettre un de ses allèles une ou plusieurs fois pour la génération suivante.
A chaque génération, le nombre d’escargots, donc d’allèles sera constant. C’est comme si on tirait au sort les allèles qui seront transmis à la descendance.
Un logiciel permet de simuler la composition de cette population en réalisant le tirage au sort à notre place.
Dans le logiciel suivant : les boules représentent les allèles de la population initiale.
On veut prouver que le hasard permet à un allèle de rester seul dans cette petite population après transmission au hasard sur un certain nombre de générations. Clic droit sur le lien et ouvrir dans une nouvelle fenêtre ou dans un nouvel onglet.
Au début, cliquer sur lancer le modèle puis sur tirer une boule puis sur tout tirer (à chaque génération). Noter la couleur restante et le nombre de générations pour y arriver.

Un QCM permet d’évaluer la compréhension du phénomène étudié. Il peut y avoir plusieurs réponses justes.

  • La fréquence des allèles
    A Finit par s’annuler pour tous les allèles
    B évolue toujours de la même façon
    C Finit par s’annuler pour tous les allèles sauf un
    D Augmente pour certains allèles et diminue pour d’autres
  • L’environnement
    A favorise une autre couleur
    B favorise la couleur bleue
    C modifie la fréquence des allèles de cette population
    D favorise la couleur jaune
    E n’a pas d’influence sur la fréquence des allèles de cette population.
  • Le seul hasard
    A fait varier la fréquence des allèles de génération en génération
    B agit parfois sur la fréquence des allèles dans cette simulation
    C n’a pas d’influence sur la fréquence des allèles de la population
  • Pour savoir si un des allèles a plus de chances d’être transmis de génération en génération dans cet environnement il faudrait
    A modifier la couleur du fond de la cage
    B refaire la simulation de nombreuses fois pour vérifier si c’est souvent le même allèle qui reste
    C refaire la simulation de nombreuses fois pour noter au bout de combien d’essais il ne reste qu’un allèle
  • Pour vérifier que la dérive génétique (action du hasard) est plus lente dans une population plus grande il faut :
    A refaire la simulation en diminuant le nombre d’allèles pour vérifier que le nombre de génération nécessaire pour éliminer les allèles augmente
    B refaire la simulation de nombreuses fois pour vérifier si c’est souvent le même allèle qui reste
    C refaire la simulation en changeant le nombre d’allèles pour vérifier si c’est souvent le même allèle qui reste
    D refaire la simulation en augmentant le nombre d’allèles pour vérifier que le nombre de génération nécessaire pour éliminer les allèles augmente
    E refaire la simulation en augmentant le nombre d’allèles pour vérifier que le nombre de génération nécessaire pour éliminer les allèles diminue

• On demande alors à l’élève de prévoir une autre simulation en classe permettant de montrer le rôle de l’effectif de la population.

• Certains élèves ne s’étaient pas connectés et un bug avait empêché de répertorier la réussite de deux activités Des élèves se sont connectés après la séance sur mes conseils. Au final, trois élèves sur 35 n’ont pas fait l’activité (dont deux élèves en grande difficulté scolaire).

Pendant la classe

• Nous avons fait le bilan des idées mises en place avec les deux activités « Phalènes » et « dérive génétique ».

• Certains élèves (identifiés comme sérieux) ont obtenu des graphiques de l’évolution des phalènes dans lesquels les pourcentages de phalènes claires et sombres ont très peu varié. Pour la dérive génétique, aucune difficulté n’a été notée.

• Une stratégie de vérification du rôle de l’effectif de la population était demandée dans le parcours. Nous avons décidé de refaire la simulation en classe avec le logiciel « dérive génétique » en augmentant le nombre « d’allèles » dans la population de départ. Cela permettait de mieux voir l’influence du hasard en comparant les résultats des différents élèves et de montrer l’influence de l’augmentation de l’effectif.

• Pour la sélection naturelle, les élèves ont utilisé le logiciel « Evolution » pour trouver la valeur sélective à affecter aux génotypes proposés pour qu’il y ait disparition d’un des allèles au profit de l’allèle procurant un avantage. Cela nous a mené à revoir la notion d’allèle dominant ou récessif.

Après la classe

• L’évaluation peut porter sur l’apprentissage des définitions, la présentation des exemples étudiés, un exercice dans lequel l’élève doit reconnaître, à partir d’une autre situation s’il s’agit plutôt d’une évolution par dérive génétique ou par sélection naturelle.

ANALYSE ET EVALUATION DU DISPOSITIF
Plus-values dégagées • La grande majorité des élèves a réalisé l’activité jusqu’au bout, ce qui a permis de consacrer globalement plus de temps à la compréhension de ces deux notions complexes.

• L’utilisation en classe du logiciel « Phalènes » me semble difficile car la réalisation de 10 saisons successives de chasse prend du temps. Le passage à la classe inversée permet donc de réaliser une activité peu compatible avec le temps scolaire, mais qui semble cependant utile.

• La principale plus-value de ce dispositif est donc de permettre à l’élève de réaliser des activités plus variées et moins théoriques. Les questionnaires permettent à chacun de se positionner par rapport à l’activité qu’il vient de réaliser. L’élève obtient une évaluation immédiate de sa réponse. Il faudrait éventuellement ajouter une remédiation.

• La poursuite du travail en classe permet de consolider les notions, de corriger les erreurs et d’aller plus loin dans l’étude des phénomènes.
Difficultés rencontrées • Le temps consacré à la préparation est estimé entre 1h et 1h30. Cela correspond pratiquement à un doublement du temps de travail hebdomadaire. Cela ne peut être envisagé qu’en certaines occasions au cours de l’année scolaire.
Pistes d’amélioration • Il faut prévoir d’expliciter les hypothèses à tester à l’aide des logiciels : mutation puis pression de sélection naturelle pour le logiciel Phalènes et Transmission aléatoire des allèles pour dérive génétique. Dans l’idéal, il faudrait permettre deux niveaux de difficulté. La découverte des notions maintenant un suspens pour ceux qui comprennent plus facilement, et une aide plus explicite pour les environ 20 % d’élèves qui ne se projettent pas facilement dans les activités.
• Il faut peut-être aussi revoir la présentation de l’utilité de chaque logiciel.
• L’ajout de badges à obtenir après les activités pourrait permettre d’accentuer la motivation de certains élèves.
• L’objectif de l’activité de type classe inversée est d’obtenir une première compréhension des notions avant la séance
QUESTIONNAIRE PROPOSE AUX ELEVES


il faut identifier les difficultés mais elles devraient être résolues facilement en cas d’utilisation plusieurs fois dans l’année. La connexion par l’identifiant de l’ENT ne devrait pas poser de problème.|


Il faut sans-doute améliorer la construction du parcours et éventuellement préciser ce que l’on attend lors de chaque étape. Une relecture systématique de la présentation des activités permettra d’améliorer la facilité de compréhension par l’élève. J’ai déjà modifié certaines formulations par rapport à ce que j’ai proposé aux élèves.|


Certains élèves n’ont pas réalisé les 10 saisons de chasse attendues et ont éprouvé des difficultés pour comprendre seuls les notions (difficiles) abordées. Je ne pense pas nécessaire de préciser quelles cibles on doit privilégier (papillons clairs sur le fond sombre). Le premier intérêt est justement de prendre conscience de la façon dont le nouvel allèle favorise les individus qui le portent (la notion de dominance n’est pas un objectif incontournable pour cette activité). L’accès au graphique montrant l’évolution des pourcentages de phénotypes et des allèles permet de prendre conscience de l’impact de la sélection naturelle.
Le retour fait en classe doit justement permettre de finaliser la notion pour ceux qui n’ont pas réussi seuls à identifier le mécanisme.

Reste que pour certains élèves de seconde, cette partie du programme semble bien ambitieuse.|


Une meilleure connaissance de la plateforme de formation permettrait d’identifier les points à préciser : consignes liées au parcours lui-même et consignes liées aux objectifs de notions et d’activités (savoir faire).
Encore une fois, il faut toujours chercher à améliorer la formulation des apports initiaux et des consignes données pour chaque activité.|


Il faudrait distinguer l’intérêt pour la démarche et les activités et l’intérêt pour les notions abordées. Pour certains élèves, l’utilisation des modèles et de l’activité ludique de la chasse aux papillons stimule l’intérêt et facilite l’appréhension. Pour d’autres, et parfois pour des élèves obtenant de bons résultats cela ne fonctionne pas bien, ils ne semblent pas avoir "joué le jeu" de manière impliquée.|


Le bilan final montre une vision positive pour une grande majorité des élèves, ce qui est encourageant.
A l’usage, on pourra savoir s’il y a un effet de la "première fois" et si la répétition de ce type d’activité lasse les élèves ou s’il y a un réel effet positif de ce type de dispositif.|

Téléchargement

Fichier Moodle du parcours sauvegardé depuis Éléa.
Il faut parfois éditer la carte (sans la modifier) pour que les étapes apparaissent sur le parcours.

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