La respiration est à la base de toute vie sur terre. Nous pouvons considérer qu'il est aussi important pour l'humain de respirer que pour les minuscules poissons qui vivent dans l'eau. Il est important, lors d'une activité de découverte des conceptions des élèves, que chacun prenne conscience de l'importance du thème abordé et des différentes façons de l'imaginer et de le comprendre.

Les jeunes étudiants du secondaire connaissent la respiration, c'est un phénomène qu'ils vivent depuis les premières secondes de leur vie. Il est certain qu'ils se sont déjà questionnés sur les mécanismes de la respiration et qu'ils ont tenté de répondre à ces questions en bâtissant des premières conceptions sur le thème abordé. Ces conceptions spontanées ont servi, jusqu'à présent, à organiser leur conception de la respiration dans la vie courante. Dans le cadre de ce travail, nous avons voulu découvrir les idées des élèves et connaître leurs explications sur les phénomènes reliés à la respiration.

À quoi sert vraiment l'oxygène dans le corps humain ? Pourquoi évacuons-nous du gaz carbonique ? Où va l'air que nous respirons et comment arrive-t-il à pénétrer et à ressortir de notre corps ? Ces questions sont complexes pour les élèves, mais ils n'en savent pas moins sur le sujet. Certains peuvent facilement avoir une idée globale des mécanismes de la respiration, même si elle est fausse ou « particulière ». D'autres comprennent tout à fait ces phénomènes parce qu'ils les ont appris et intégrés à leurs propres conceptions.

Plusieurs études ont déjà été faites sur le concept de respiration (La respiration en questions). Les didacticiens s'intéressaient à ce sujet pour les mêmes raisons que nous. La respiration est un phénomène que tous les humains ont besoin pour vivre. Tous les élèves connaissent quelque chose sur le sujet et il est intéressant de les questionner afin de comprendre leurs idées. Une question simple a été posée à plusieurs élèves : Pourquoi respire-t-on ? Il y a eu plusieurs types de réponses : on respire pour vivre, on respire pour avoir de l'air, ce sont les poumons qui veulent de l'air, la respiration sert à digérer, elle sert à donner de l'énergie à notre cœur, etc. Ces réponses peuvent guider un professeur dans sa préparation de cours, il comprend alors mieux les points où les élèves ont le plus de difficultés et il peut ainsi éclaircir des conceptions alternatives concernant le phénomène de la respiration.

Un autre type de question a aidé les chercheurs à comprendre les processus cognitifs chez les jeunes. De quoi est composé l'air lors du cycle de la respiration ? Les élèves ont répondu, suivant leurs propres conceptions, des affirmations qui pouvaient se regrouper en trois catégories distinctes. Certains pensent que nous respirons de l'oxygène et que nous évacuons du dioxyde de carbone. D'autres élèves considèrent que l'air qui sort et qui entre dans le corps a exactement la même composition. Puis, le dernier groupe disait que nous inspirons de l'air et des poussières et que nous rejetons des déchets.

Finalement, les autres études portaient sur le trajet de l'air dans le corps humain. Plusieurs conceptions ont été recueillies par les chercheurs : des conceptions d'élèves qui n'avaient jamais étudié cette matière et d'élèves qui connaissaient les notions de respiration. Les réponses étaient très variées, en voici quelques-unes : l'air va d'un poumon (le bon poumon) vers l'autre (qui contient de la fumée), l'air entre par la bouche et ressort par le nez, l'air arrive par un tuyau et repart par un autre, l'air va dans tout le corps comme un courant d'air, l'air gonfle les poumons, etc.

Dans chaque étude que nous avons trouvée sur les mécanismes de la respiration, plusieurs activités sont proposées aux élèves pour leur faire découvrir et expérimenter tous les phénomènes respiratoires (La respiration en questions et Niveaux de connaissances à construire). Ces activités existent afin qu'ils modifient ou améliorent leur idée de départ. Il est intéressant de soumettre les élèves à des tests sur leurs propres conceptions, car ils peuvent ainsi savoir comment et à quel point leur conception est erronée et comment ils pourraient la modifier.

Comme nous le savons, la respiration chez l'homme est un phénomène vital. Il respire toujours en un mouvement régulier pour apporter au corps les besoins en oxygène et le débarrasser du CO2. Le rythme de la respiration varie dépendamment de l'activité exercée. De l'extérieur, il n'y a que deux phénomènes de respiration qui sont perceptibles : l'inspiration et l'expiration. Lors de l'inspiration, le torse se bombe et la cage thoracique s'agrandit. Le diaphragme, un muscle de la cage thoracique, se contracte. Sous l'effet de cette contraction, les poumons suivent le mouvement grâce à la plèvre, une « fausse » peau qui est très flexible. L'augmentation de volume favorise alors l'entrée d'air et les poumons auront l'apparence d'une éponge remplie d'eau (PELTIER, F., 2002).

L'air qui entre alors dans le système respiratoire pénètre soit par la bouche (la cavité orale), soit par le nez (la cavité nasale). Il traverse ensuite les sections du pharynx qui conduisent vers la trachée. Le pharynx est un tube musculaire et la trachée est un tube renforcé d'anneaux qui s'étend jusqu'aux bronches. L'air inspiré entre dans les poumons par ces bronches et est conduit dans les alvéoles, de minuscules sacs où se produisent les échanges gazeux. Au niveau des alvéoles, l'oxygène est intégré dans le sang pour être distribué dans tout le corps. À l'inverse, c'est à cet endroit que le gaz carbonique passe du sang aux alvéoles pulmonaires pour être enfin rejeté (MARIEB, E.N., 1998).

Pendant l'expiration, les muscles et le diaphragme se relâchent. Les poumons reprennent alors leur forme initiale et l'air est rejeté du corps. Le diaphragme joue un rôle essentiel dans la respiration, il entraîne le mouvement de la cage thoracique et ainsi l'inspiration et l'expiration. L'inspiration est un phénomène actif, tandis que l'expiration est un phénomène passif. La quantité d'air qui entre dans les poumons en une inspiration est d'environ 0,5 litres (PELTIER, F., 2002).

Les concepts physiologiques de la respiration sont maintenant clairs, mais à quoi sert donc la respiration dans le corps humain ? La respiration apporte au corps une quantité suffisante d'oxygène pour la production d'énergie. Cette production se fait grâce à deux éléments essentiels, soit l'oxygène et les nutriments. Les nutriments sont retrouvés dans notre alimentation sous forme de glucides, des sucres complexes, ou sous forme de lipides, des graisses. L'énergie transformée avec ces deux éléments sert à faire fonctionner tout le corps. Elle peut être sous forme mécanique (la locomotion), chimique (synthèse de matière vivante) ou calorifique (production de chaleur). Suite à la transformation de l'énergie chimique des aliments, les poumons rejettent alors un déchet : le gaz carbonique ou dioxyde de carbone.

Lorsqu'un professeur enseigne le concept de la respiration, il est très important de ne pas oublier de mentionner des conceptions erronées, mais courantes, que les jeunes ont développées. Par exemple, l'air qui entre dans les poumons ne contient pas seulement de l'oxygène. Il ne faut pas oublier que la composition de l'air atmosphérique est d'environ 20 % d'oxygène et 80 % d'azote. Les élèves doivent comprendre qu'il n'y a pas que l'oxygène qui est inspiré, mais bien toutes les composantes de l'atmosphère. Il faut aussi savoir que l'air qui sort et l'air qui entre dans les poumons n'a pas la même composition. L'air qui entre est plus chargé en dioxygène et l'air qui sort contient davantage de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau. Par contre, l'air rejeté contient encore de l'oxygène, car les poumons sont incapables de traiter toutes les particules de dioxygène pour les conduire dans le sang.

De plus, pour un professeur, il sera plus facile d'enseigner l'absorption dans le tube digestif avant d'enseigner l'absorption de l'oxygène. Il serait aussi essentiel d'aborder le thème de la respiration avant d'enseigner le système circulatoire qui, lui, présente des concepts de sang oxygéné et de sang veineux (contenant plus de CO2).

Choix des sujets

Pour réussir une bonne étude sur les conceptions, il faut s'assurer de pouvoir connaître les idées des élèves sur un sujet en particulier. Dans notre étude, nous devions trouver des questions qui pouvaient nous éclairer sur les idées préconçues des élèves sur le système respiratoire. Premièrement, il fallait trouver des élèves qui ne connaissaient pas ou qui n'avaient pas encore reçu de savoir officiel au sujet de la respiration. Nous avons choisi des élèves de première secondaire, car ils sont les plus jeunes et qu'il est presque certain qu'aucun d'entre eux n'a encore rien reçu comme savoir officiel à ce sujet. Par contre, ils sont en contact avec la science depuis deux ou trois ans et ils ont probablement commencé à réfléchir sur leur corps et les phénomènes naturels. En plus, ils ont deux ans de différence avec les jeunes de troisième secondaire qui apprennent le concept de respiration. Leurs conceptions ont plus de chance d'être différentes sur le sujet et il serait très intéressant de comparer cette différence entre les deux types de conception : les préconceptions et les conceptions alternatives construites après un enseignement sur une base de savoir officiel.

Au secondaire, les élèves étudient le phénomène de la respiration en troisième secondaire lors du cours de biologie humaine. Nous questionnerons donc des élèves de cette année scolaire qui ont déjà été en contact avec le savoir officiel. À l'aide de ces groupes cibles, notre étude portera sur le changement conceptuel que les élèves ont subi. Le groupe d'étudiants de troisième secondaire avait des conceptions alternatives sur ce thème, mais elles ont maintenant été modifiées. Suite à la présentation du savoir officiel, l'élève a probablement subi un changement cognitif. Il a reconnu une anomalie dans sa façon de penser ce qui a conduit à la perception d'une dissonance cognitive. (GUILBERT, L., doc. 4 de cours ) L'élève peut alors vivre un grand déséquilibre cognitif. Il peut donc décider de changer sa façon de penser et accepter qu'il avait tort, complètement ou en partie. Il peut aussi décider de conserver sa conception pour l'utiliser dans la vie de tous les jours et d'en adopter une autre lors d'un contexte scolaire. Le développement et le changement conceptuel sont souvent un processus long qui remet en question les représentations de l'élève. Sa représentation peut rester inchangée comme elle peut se développer. La nouvelle représentation peut se construire en parallèle avec l'ancienne, elle peut aussi se modifier progressivement ou radicalement. Le savoir officiel exercerait, chez l'élève, une pression pour faire changer les choses et faire évoluer la pensée.

Choix de l'instrument de cueillette de données

Pour atteindre notre but d'en connaître davantage sur les conceptions, il fallait trouver un instrument de mesure adéquat. Au départ, nous pensions qu'il serait intéressant de faire dessiner le trajet de l'air et du corps humain avec les parties correspondant au système respiratoire. Finalement, nous avons jugé qu'il serait difficile pour des élèves de première secondaire de dessiner comment et par où passait l'air qui pénétrait dans leur corps. Nous pensions également que certains élèves n'auraient pas le temps de finir leur dessin ou qu'il ne serait pas vraiment clair, compliquant ainsi notre analyse. Aussi, il y avait d'autres types de questions qui nous intriguaient, et nous voulions connaître les idées des élèves sur plusieurs concepts en rapport avec la respiration. Nous avons donc choisi de créer un questionnaire avec des réponses à court développement. La durée du questionnaire ne devait pas excéder dix minutes. Nous avons alors réfléchi à trois courtes questions qui pouvaient se répondre brièvement et facilement par les élèves : À quoi sert la respiration ? Est-ce que l'air qui entre et qui sort du corps a la même composition ? Et expliquez le trajet de l'air de son entrée à sa sortie (Voir le questionnaire en annexe). Les sujets abordés dans les questions nous aiderons à analyser la transformation des conceptions entre les élèves de première et de troisième secondaire.

Description de la technique d'investigation

Pour arriver à passer le questionnaire, nous avons dû trouver deux classes disponibles : une de troisième secondaire et une de première secondaire. Comme nous avions seulement le temps d'aller passer le questionnaire durant la semaine de relâche, nous sommes allées dans une région bien éloignée, Fermont. Là-bas, nous avons contacté les professeurs que nous connaissions afin d'être plus à l'aise d'aller dans leur cours et de leur prendre du temps de classe. Les professeurs trouvaient le projet bien intéressant, et ils ont gentiment accepté de nous recevoir dans leurs classes. À la suite de la discussion, ils nous ont même demandé de leur remettre nos résultats afin que la recherche les éclaire face aux conceptions de leurs élèves.

Déroulement de la passation du questionnaire

Pour répondre à notre questionnaire, les élèves doivent bien comprendre qu'il ne s'agit pas d'un examen, mais bien d'un simple questionnement sur les modes de pensée de chacun d'entre eux. Avant de distribuer le questionnaire, nous avons donc expliqué à chacune des classes le but de notre recherche et les éléments que nous voulions retrouver sur les copies-réponses, c'est-à-dire la pensée des élèves et non le savoir officiel ou la bonne réponse. Nous avons aussi mentionné qu'il n'y avait aucune honte à ne pas avoir de réponse à une question, mais qu'il fallait au moins essayer de répondre quelque chose, même si la réponse leur apparaissait saugrenue. Ensuite, nous avons accordé le temps nécessaire pour répondre aux trois questions et avons ramassé les questionnaires. Finalement, nous avons expliqué qu'aucune réponse ne serait divulguée et que toutes les copies resteraient dans l'anonymat le plus total.

Pour arriver à tirer de bonnes conclusions dans une recherche, il est essentiel de trouver une méthode de traitement des données efficace. En évaluant nos résultats, nous avons remarqué qu'il existait quelques similitudes entre les réponses des élèves de première secondaire, et qu'il y avait aussi des similitudes entre les réponses des autres étudiants. Nous avons donc choisi de traiter les données en parallèle. Un tableau des résultats a été construit pour chaque groupe. Dans chaque tableau, nous regroupons les réponses des élèves en trois catégories pour en faciliter l'analyse. Ensuite, nous avons pu comparer plus facilement les deux tableaux afin de présenter les résultats en tenant compte de l'évolution de la pensée des adolescents.

Tableau 1 : Conceptions des élèves de première et de troisième secondaire en réponse à la première question : À quoi sert la respiration dans le corps humain ?

*Le nombre total d'élèves : 26 en première secondaire et 20 en troisième secondaire. Il est à noter que la réponse d'un élève peut se retrouver dans une ou plusieurs catégories.

Tableau 2 : Conceptions des élèves de première et de troisième secondaire en réponse à la seconde question : L'air qui entre et qui sort du corps a-t-il la même composition et qu'elle est cette composition ?

Tableau 3 : Conceptions des élèves de première et de troisième secondaire en réponse à la troisième question : Quel est le trajet de l'air dans le corps, de l'entrée à la sortie ?

Cohérence interne des résultats

Suite à la lecture et à l'analyse des résultats recueillis, il nous est maintenant possible de discuter de la cohérence des éléments de réponse. Nous avons tout d'abord observé que les explications intra-sujet étaient, dans l'ensemble, cohérentes d'une question à l'autre. Par exemple, les élèves qui répondaient que l'air « mauvais » était expiré (question 2) insistaient également sur ce fait dans la dernière question en écrivant que l'air était expiré en ramassant le « mauvais » air. Seulement quelques incohérences ont été observées et ce, principalement lorsque les élèves répondaient que la respiration servait à nous garder en vie (question 1) et qu'à la deuxième question, ils affirmaient que l'air inspiré était pollué et que l'air expiré était purifié. Pour ce qui est de l'ensemble des résultats, les élèves ont tous répondu de façon sérieuse.

Une cohérence intra-groupe est aussi observable. Les élèves de première secondaire ont répondu à 65 % que la respiration servait à nous maintenir en vie. À la question 2, 31 % ont indiqué que de l'O2 était inspiré et un autre 31 % ont affirmé que de l'air « mauvais » était rejeté. En ce qui concerne le trajet de l'air, 20 élèves sur 26 ont inscrit que l'air passait par les poumons. Toujours en ce qui concerne le trajet de l'air, on remarque que les énumérations sont vagues et peu détaillées. En troisième secondaire, les réponses sont également semblables. C'est à la première question qu'on retrouve encore le plus grand nombre de résultats semblables, soit 50 % des élèves qui expliquent que la respiration sert à rester en vie. Les résultats sont légèrement différents en réponse à la composition de l'air, mais 35 % indiquent que de l'O2 est inspiré. L'analyse des résultats de la dernière question nous a fait remarquer que 14 élèves sur 20 décrivaient de façon plus précise le trajet de l'air.

En général, il y a une différence entre les réponses données par les élèves de première secondaire et ceux de troisième secondaire. Les réponses de ces derniers sont souvent plus élaborées et se rapprochent plus du savoir officiel. Par exemple, seulement 2 élèves ne font pas référence aux poumons dans le trajet de l'air comparativement à 6 en première secondaire. Comme indiqué précédemment, les énumérations des parties du système respiratoire sont plus élaborées.

Comparaison avec des recherches similaires

Certaines explications obtenues sont comparables à celles que nous avons consultées dans des recherches portant sur la respiration. En ce qui concerne la première question à propos de l'utilité de la respiration, les réponses similaires sont entre autres : on respire pour se garder en vie, pour que nos poumons puissent respirer, pour avoir de l'air et pour permettre à notre cœur de battre. Nous avons, par contre, obtenu des éléments de réponses différents de ceux présents dans les études. Par exemple, les élèves expliquaient que la respiration servait à oxygéner les organes, les os, les muscles et le sang. D'autres élèves lui ont attribué le rôle de purificateur d'air et de destructeur de microbes. Cependant, aucun élève n'a indiqué qu'elle servait à la digestion, comme il est question dans la recherche consultée.

Pour ce qui est de la composition de l'air qui entre et qui sort, nous avons retrouvé deux résultats comparables soit : l'air inspiré est de l'O2 et l'air expiré est du CO2 et que nous inspirons de l'air pollué et que nous expirons des déchets. Comparativement à l'étude, seulement 2 élèves (4 %) ont affirmé que l'air qui entre était la même que celle qui sort. Nous avons, encore une fois, constaté des explications différentes dont une qui nous a particulièrement surpris : l'air qui entre est pollué et nous expirons de l'air purifié.

Les résultats concernant le trajet de l'air sont également analogues : l'air passe par la bouche, se rend aux poumons et ressort par la bouche, l'air passe par le tuyau du cou et l'air passe dans tout le corps. Comparativement aux résultats de l'étude, nous avons observé de nombreuses énumérations qui comprenaient l'œsophage.

Comparaison avec le savoir officiel

La respiration est un phénomène vital et la très grande majorité des élèves ont écrit cette explication. Seulement deux élèves (sec. 3) ont fourni des explications qui relèvent d'un stade supérieur, soit que la respiration sert à fabriquer de l'énergie et à donner de l'O2 au sang. Nous avons dénombré uniquement quatre élèves qui ont répondu correctement à la seconde question. L'air qui entre est composé à 20 % d'O2 et à 80 % d'N2 et l'air qui est expiré contient encore de l'O2, mais cette fois, il est plus chargé en CO2 et en vapeur d'eau. C'est en réponse à cette question que l'on remarque la plus grande distanciation avec le savoir officiel. Bien que 96 % des élèves savent que l'air qui sort n'a pas la même composition que l'air qui entre, peu d'entre eux ont décrit la bonne justification. En effet, certaines explications vont totalement à l'encontre du savoir officiel en affirmant que l'air se fait filtrer et purifier dans les poumons. Très peu nombreux sont les élèves qui ont donné le bon trajet de l'air. La grande majorité des étudiants savent que l'air passe par les poumons, mais ils ne peuvent expliquer par où il passe pour y arriver et ce qu'il fait rendu là. De plus, nous avons remarqué que les concepts d'œsophage et de trachée sont souvent intervertis et bien souvent, les élèves ignorent totalement que la trachée existe.

Limites méthodologiques

Il est évident que cette recherche sur les conceptions aurait pu être encore plus approfondie si nous avions posé plus de questions, comme par exemple : comment respire-t-on ? Quelle quantité d'air entre et sort de nos poumons ? Pourquoi notre respiration s'accélère lors d'un exercice physique intense ? Cela nous aurait permis de mieux comprendre l'ensemble des conceptions reliées à la respiration. Nous aurions pu également choisir une classe de cinquième secondaire afin de vérifier ce que les élèves retiennent après l'enseignement de la respiration en troisième secondaire. Il aurait été également intéressant de pouvoir discuter plus longuement avec l'enseignant des classes visitées afin qu'il puisse nous faire part de ses expériences passées par rapport à ce sujet. Cependant, dans l'ensemble, le contexte de travail était adéquat pour la conception d'une mini-recherche. Ce qui nous a été principalement profitable est que les élèves et l'enseignant ont été tous très coopératifs. Les élèves ont répondu au questionnaire en silence, sans consulter ni leurs notes, ni leurs voisins, et ils ont pris le temps de se questionner avant de répondre (on pouvait vraiment le percevoir en les observant).

Cette mini-recherche consistait à découvrir les conceptions que les élèves avaient en ce qui concerne la respiration chez l'être humain. L'analyse des résultats nous a aidé à mieux discerner les problèmes et les difficultés que nous pourrions rencontrer lors de la présentation de cette matière. Il faut toujours avoir en tête qu'un enseignant doit partir des connaissances qu'ont les élèves avant de présenter un nouveau concept. Ce travail nous a d'ailleurs permis de comprendre comment analyser et utiliser les conceptions que possèdent les élèves. Pour permettre l'apprentissage, l'enseignant se doit de travailler avec les conceptions des élèves, de les dépasser et de les amener à confronter leur conception avec le savoir officiel. Après s'être renseigné sur les conceptions, soit par questionnement oral ou écrit, l'enseignant peut adapter sa planification de cours en y incluant des activités d'explorations et d'investigations.

En ce qui a trait à la présentation du phénomène de la respiration, plusieurs activités peuvent être organisées. La démonstration du trajet de l'air peut se faire à l'aide d'un ensemble cœur-poumons. En soufflant dans la trachée, l'élève peut facilement voir que les poumons se gonflent et que le cœur garde son volume. Nous pouvons également montrer que les poumons sont rosés, ce qui explique qu'il y a de la circulation et qu'il y a contact entre l'O2 et le sang. Il est aussi possible de se servir de la dissection du fœtus de porc pour que les élèves puissent faire la différence entre l'œsophage et la trachée. Nous pourrions demander aux élèves de souffler dans l'œsophage et dans la trachée afin qu'ils puissent différencier la différence entre les deux trajets. Ils seront alors en mesure de relier la trachée aux poumons et l'œsophage à l'estomac.

Quelques expériences simples peuvent être réalisées pour permettre de distinguer la composition de l'air inspiré et expiré. L'enseignant peut tout simplement demander aux élèves de souffler sur une vitre froide et montrer que de la vapeur se condense. L'enseignant peut demander pourquoi il faut souffler sur un feu de camp pour l'alimenter (présence d'O2 qui active la combustion). Il serait aussi important de faire réfléchir les élèves, qui pensent que nous rejetons uniquement du CO2, sur l'existence de la respiration artificielle pour leur permettre de comprendre que de l'O2 est aussi expiré. Pour les élèves qui croient que nous sommes des « purificateurs d'air », l'enseignant se doit de donner un peu de théorie sur le sujet et d'insister sur le fait que l'O2 est nécessaire à notre survie et à la libération d'énergie. L'enseignant peut alors leur demander pourquoi la cigarette est mauvaise pour la santé si nos poumons sont des purificateurs ? Il peut également leur demander de décrire la senteur de l'expiration de la fumée de cigarette prouvant que l'air expiré n'est pas si pur qu'ils le pensent. L'enseignant peut également questionner les élèves sur l'utilité de la respiration si celle-ci garde © ce qui n'est pas bon » en dedans. Les élèves peuvent souffler dans de l'eau de chaux et voir que celle-ci se trouble, donc qu'il y a présence de CO2.

Ce ne sont là que quelques exemples qui peuvent être bénéfiques lors de l'enseignement du système respiratoire. L'importance de ces activités est d'amener l'élève à confronter, modifier et reconstruire sa propre conception de la respiration. L'enseignant doit toujours intervenir en tant que guide dans ce processus en questionnant et en aidant ses élèves.