Projet expérimental et numérique en SVT : mesurer la croissance de végétaux en faisant varier les conditions de culture.

Présentation du projet expérimental et numérique

Le programme d’enseignement scientifique de Première prévoit un travail qui se déroulera sur une douzaine d’heures, dans des conditions matérielles qui permettent un travail pratique effectif en petits groupes d’élèves.
Le projet s’articule autour de la mesure et des données qu’elle produit, qui sont au cœur des sciences expérimentales. L’objectif est de confronter les élèves à la pratique d’une démarche scientifique expérimentale, de l’utilisation de matériels (capteurs et logiciels) à l’analyse critique des résultats.

Le projet expérimental et numérique comporte trois dimensions :

  • utilisation d’un capteur éventuellement réalisé en classe ;
  • acquisition numérique de données ;
  • traitement mathématique, représentation et interprétation de ces données. Selon les projets, l’une ou l’autre de ces dimensions peut être plus ou moins développée.
    L’objet d’étude peut être choisi librement, en lien avec le programme ou non. Il s’inscrit éventuellement dans le cadre d’un projet de classe ou d’établissement.
    L’objectif n’est pas d’introduire des notions nouvelles.

Liens avec le programme de l’enseignement scientifique (extraits)

Comprendre la nature du savoir scientifique et ses méthodes d’élaboration

Le savoir scientifique résulte d’une construction rationnelle. Il se distingue d’une croyance ou d’une opinion. Il s’appuie sur l’analyse de faits extraits de la réalité complexe ou produits au cours d’expériences. Il cherche à expliquer la réalité par des causes matérielles.

Identifier et mettre en œuvre des pratiques scientifiques

Le scientifique, au cours de son activité de production du savoir, met en œuvre un certain nombre de pratiques qui, si elles ne sont pas spécifiques de son travail, en sont néanmoins des aspects incontournables. Quelques mots-clés permettent de les présenter : observer, décrire, mesurer, quantifier, calculer, imaginer, modéliser, simuler, raisonner, prévoir le futur ou remonter dans le passé.

Identifier et comprendre les effets de la science sur les sociétés et sur l’environnement

Les sociétés modernes sont profondément transformées par la science et ses applications technologiques. Leurs effets touchent l’alimentation (agriculture et agroalimentaire), la santé (médecine), les communications (transports, échange d’information), l’apprentissage et la réflexion (intelligence artificielle), la maîtrise des risques naturels et technologiques, la protection de l’environnement, etc. La compréhension de ces transformations est indispensable à la prise de décision ; elle distingue l’approche purement scientifique d’autres approches (économiques, éthiques, etc.). De même, les activités humaines exercent sur l’environnement des effets que la science permet de comprendre et de contrôler.

Une place réservée à l’observation et l’expérience en laboratoire

La pratique expérimentale des élèves est essentielle. En particulier, il est bienvenu, chaque fois que possible, de créer les conditions permettant un travail de laboratoire fondé sur diverses formes de manipulations et d’observations. Ainsi, l’élève se livre lui-même à la confrontation entre faits et idées et comprend, en la pratiquant, la construction du savoir scientifique.

Un usage explicité des outils numériques

Des outils numériques variés trouvent des applications dans le cadre de l’enseignement scientifique : logiciels de calcul ou de simulation, environnements de programmation, logiciels tableurs, etc. Il convient d’associer leur usage par les élèves à la compréhension au moins élémentaire de leur nature et de leur fonctionnement.

Intérêt de ce projet numérique

Ce projet est un projet avec du vivant.

Ce projet est simple à mettre en œuvre.

Les conditions expérimentales sont faciles à maîtriser.

Le matériel de ce projet est facile à se procurer (kit de culture IKEA…).

Le matériel est réutilisable.

Ce projet peut donc s’inscrire dans un continuité pluriannuelle, c’est à dire que le projet peut se terminer par une hypothèse que les élèves de l’année suivante peuvent tester ou compléter. Cela permet de montrer que la construction du savoir scientifique ne part pas de rien mais repose sur les travaux des prédécesseurs. Ce qui oblige à la rigueur scientifique dans les conditions expérimentales et la communication scientifique.

Le projet peut être mené sur une courte durée (semaines) ou une longue durée (mois) suivant le choix d’organisation des projets numériques de l’établissement.

Il est possible de graduer l’usage des outils numériques depuis un usage simple type mesurim pour les élèves moins numériques, un traitement informatique des données par un programme de traitement d’image simple en python (fourni en annexe) en lien avec le programme de SNT seconde, jusqu’à l’utilisation de graphique en python avec la bibliothèque pyplot ( programme en annexe et lien vers TP sur les températures des roches) et autres possibilités pour les élèves très numériques.

En gardant à l’esprit qu’en mathématiques la programmation python au lycée aborde la notion de boucles et l’usage de listes qui sont utilisées dans les programmes fournis.

Les précautions à prendre sont

la capture d’image qui doit se faire avec le même dispositif et le même éclairage pour permettra un traitement chromatique de l’image par la suite.

le maintien d’un niveau d’eau constant pour le calcul de surface.

Mise en situation et recherches de stratégie :

de nombreuses mises en situation sont possibles en lien avec la partie du programme d’enseignement scientifique de première : Une conversion naturelle de l’énergie solaire, la photosynthèse.

Le questionnement de départ peut prendre plusieurs formes. La nécessité des éléments nutritifs, la quantification des éléments et facteurs nécessaires à la photosynthèse, l’influence de la photopériode, de la température… en lien avec des problématiques de pollution, de culture hydroponique,

Le projet peut aussi être couplé avec des questionnements sur la lumière, le spectre photosynthétique ou tout autre

au niveau de la forme on peut opter pour l’écriture d’un article scientifique.

Déroulement possible de la séquence :

Une séance de présentation, de problématisation et d’élaboration d’hypothèse ou de prise de connaissance des travaux des années précédentes. Présentation également du matériel expérimental

Une séance de mise en place du matériel à partir du protocole réalisé et capture d’une première série d’image comme point de départ.

Une séance de capture d’image et de traitement pour appréhender les logiciels et l’obligation de la rigueur de la mesure.

Une séance mesure et utilisation du logiciel de traitement d’image ou programmation python

Une séance mesure et traitement d’image avec début de mise en forme graphique des résultats

Une séance mesure, traitement d’image et communication scientifique.

Une séance présentation aux autres des résultats.

Principe de l’expérience :

Il s’agit de quantifier l’évolution de la surface foliaire suivant les conditions choisies, en fonction du temps.

La mesure se fait par une prise régulière d’images et calcul de surface foliaire par un logiciel.

L’expérience repose donc une approche diachronique qui montre l’importance de la fiabilité de la prise de mesures d’une fois sur l’autre.

Exemple de Matériels et montages :

matériel
2 ensembles VÄXER de IKEA
Chaque ensemble étant constitué de :
- 1 Barre LED lumière du jour
- 1 Support de fixation de la Barre LED
- 1 Bac avec 8 godets amovibles
prix indicatif autour de 50 euros par ensemble en 2020
Les 2 ensembles montés avec une multiprise et un minuteur pour faire varier la photopériode.
matériel3
Le dispositif en fonctionnement
Un montage pour l’expérience : eau distillée.
Un montage pour l’expérience témoin eau : de la mare de prélèvement.
Ou inversement suivant le choix de la question de départ.
matériel4
Les godets numérotés remplis avec les lentilles d’eau Lemna minor.
8 lots qui permettent d’avoir des résultats significatifs. Ou de varier les espèces…
Un godet rempli avec les lentilles d’eau Lemna minor à plus de 10 % de surface au début de l’expérience.

Récolte des données

Pour chaque godet, une photo à la verticale est faite à intervalle régulier (à déterminer par les expérimentateurs).

Attention à la balance des blancs et à utiliser le même appareil pour les séries de photo.

Il peut être intéressant d’utiliser le mode pro des smartphones permettant de garder les mêmes réglages d’une série à l’autre.

Traitement des données

Prétraitement de la photo :

Chaque photo peut être pré-traitée dans un logiciel de traitement d’image type Gimp, photofiltre ou même mesurim.

Ce qui comprends un découpage de l’image afin de délimiter la surface de liquide pour pouvoir calculer le pourcentage de recouvrement foliaire. Voire une recoloration en vert des possibles reflets sur les feuilles avec un outil pot de peinture.

Utilisation du logiciel

comptageA6mesurim2
1) mesure directe de surface par mesurim avec la fonctionnalité de mesure de surfacehttp://acces.ens-lyon.fr/acces/logiciels/applications/mesurim/guide-dutilisation/mesurer-une-surface
ici la surface des feuilles est de 17,6%.
2) Utilisation de la fonction décodage des couleurs de mesurim pour déterminer les paramètres RVB des pixels de l’image pour pouvoir paramétrer les filtres dans le programme en python.
Par exemple le pixel pointé a une valeur de R=116V=126B=110
if r>70 and r<160 and v>=0 and v<=150 and b>0 and b<=70 : 3) Modification de la ligne de condition du filtre des pixels du programme python puis test.Ici les pixels des feuilles remplissent les 6 conditions :
la valeur du pixel dans le rouge doit être supérieur à 70 et inférieur à 160
Vert entre 0 et 150
Bleu et 0 et 70
Image obtenue par traitement de l’image du godet A6 par le programme python d’analyse de pixels alysepixels.py. Avec les mêmes paramètre RVB que dans mesurim.
Ici la surface est à 17,6 % de la surface du godet.Comme dans la mesure effectuée avec mesurim.

La mise en forme des données

La mise en forme des données peut se faire classiquement par traitement des données dans un tableur en utilisant les valeurs obtenues par traitement dans mesurim, ou utiliser un programme python de graphisme avec la bibliothèque pyplot.

L’avantage du programme est une automatisation des tâches et le traitement de grandes quantités de données en peu de temps. C’est un exemple de traitement par lot de données, classique dans les approches scientifiques modernes.

Les programmes pythons fournis ici.

Les programmes reposent sur le fait que pixels des images numériques obtenues à partir de capteurs sont codées en mode RVB (notion connue par les élèves en SNT seconde) et le programme va tester les valeurs RGB de chaque pixel de l’image et compter ceux qui sont « verts ».

Le programme analysepixels1.py permet de compter les pixels dont on choisit la gamme RVB, puis de calculer le pourcentage de ces pixels dans l’image et enfin d’afficher une image où les pixels de la gamme sont dans leur couleur et les pixels hors gamme en noir.

Ce programme est un module de paramétrage qui permet à l’utilisateur de traiter une image et de modifier les conditions appliquées pour la couleur des pixels « reconnus » .

Cela permet de visualiser l’image testée pour déterminer la qualité du réglage

Le programme traitement_image_et_graphique.py et le module alysepixels.py

C’est un programme d’automatisation de traitement d’images et de traçage de graphes.

A partir du nom des séries d’images le programme compte les pixels qui répondent aux conditions choisies, place les valeurs dans un tableau, calcule le pourcentage des pixels sélectionnés par rapport au nombre total de pixels de l’image et trace le graphique de l’évolution des surfaces.

remarque : pour fonctionner tous les fichiers utilisés (programmes et images) doivent se trouver dans le même répertoire.

Pour simplifier l’utilisation de python le package édupython a été choisi.

Ce package souvent utilisé par les professeurs de mathématique et en SNT est fréquemment installé dans les lycées.

Il a l’avantage d’inclure, dans sa dernière version, et sans modification, de nombreuses bibliothèques qui permettent de travailler les calculs mathématiques, les graphiques, le traitement des images, les fichiers csv…

En mathématiques la programmation python au lycée aborde la notion de boucles et l’usage de listes employées dans ce programme.

Exemple de traitement obtenus avec les programmes pythons

Les 3 images ci dessous ont été prises volontairement à 3 réglages différents pour être utilisées comme exemple dans le logiciel et montrer l’importance du réglage préalable du module de traitement et de la prise de vue.

Ces résultats ne permettent pas de tirer des conclusions.

3 images de culture
Les 3 images traitées par le module analysepixels.py avec un même réglage
Tous les pixels verts sont sélectionnés Des pixels échappent au tri Encore davantage de pixels sont ratés

On peut remarquer que le réglage des conditions de sélection des pixels verts du module analysepixels.py est plus adaptée au réglage de la photo 1 prise en mode pro en jouant sur la balance des blancs.

Graphe obtenu par traitement de ces 3 images

En plus des résultats obtenus en faisant varier un élément de culture (lumière, sels minéraux, , on peut aussi proposer à différents groupes de traiter les mêmes données par différentes méthodes et comparer les résultats pour ouvrir la discussion sur la fiabilité des données, de leur traitement, la rapidité d’obtention des résultats…

Pour l’expérience, il est possible d’utiliser différentes plantes aquatiques Lemna minor et autres lentilles d’eau peuvent être recueillies dans le milieu naturel au printemps et maintenues en aquarium, ou achetées sur des sites d’aquaponie.

Il est aussi possible d’utiliser la fougère d’eau Salvinia natans, qui supporte mieux les intensités lumineuse vives.

d’autres projets expérimentaux numériques

Utiliser un microcontrôleur arduino en Sciences de la Terre au lycée : Mettre en évidence la transmission de chaleur par convection, capturer des données et les traiter dans un tableur ou par un programme python.

Utiliser un microcontrôleur arduino en Sciences de la Terre au lycée : Obtenir des données sur le transfert de chaleur par conduction dans les roches et les traiter dans un tableur ou par un programme python.

Projet expérimental et numérique en SVT : Mesurer l’effet de serre pour différents taux de CO2 en utilisant un microcontrôleur arduino et traiter les données récoltées dans un tableur ou un programme en python.

Projet expérimental et numérique en SVT : Mesurer l’effet de serre en fonction de l’humidité en utilisant un microcontrôleur arduino et traitement des données récoltées dans un tableur ou un programme python.

Lien utiles

lentille d’eau Lemna minor

https://www.aquaponie.fr/cultiver-la-lentille-deau-en-aquaponie-lemna-minor/

fougère d’eau Salvinia natans

https://jardinage.ooreka.fr/plante/voir/559/salvinia-natans

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