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Mlle Bille-en-Tête a organisé un concours de sciences avec son collègue, M. Grangedoux, sur un sujet difficile : les aimants. Les deux classes doivent résoudre trois énigmes. Cependant, les élèves de Mlle Bille-en-Tête ont un avantage : le Bus magique ! Pour comprendre ce qu'est le magnétisme et trouver les bonnes réponses, ils vont devenir aussi minuscules que des brins de limailles de fer...

Mlle Bille-en-tête annonce à ses élèves qu'ils vont étudier les requins. Transformé en minuscule sous-marin, le bus magique les emmène au fond de l'océan. Les enfants aperçoivent tout d'abord des requins pacifiques jusqu'au moment où ils sont avalés par un requin-tigre, l'espèce la plus dangereuse. Ils vont cependant s'en sortir grâce au courage d'Arnaud.

Mlle Bille-en-tête et sa cousine météorologiste, le docteur Nimbus, ont décidé d'emmener les enfants visiter un parc d'attractions construit autour du thème de la météo. Une fois sur place, le directeur les informe qu'il est obligé de fermer le parc car il a reçu un avis de tempête de niveau orange. La maîtresse propose aux élèves de partir en reconnaissance en ballon météo.

Après un détour par Pompéi, les élèves de mademoiselle Bille-en-Tête partent à la découverte du Piton de la Fournaise, un volcan actif de l'île de la Réunion, prêt à se réveiller. Mais voilà, Carlos n'a pas pu s'empêcher d'aller explorer un vieux tunnel de lave. Ils le retrouvent finalement sur les pentes du volcan en compagnie d'un vulcanologue. Ensemble, ils vont observer l'éruption.

La classe de Mlle Bille-en-Tête part en mer observer les baleines dans le bus magique transformé en navire. Afin d'admirer les fonds marins, les enfants embarquent par deux dans des petits sous-marins reliés par radio avec le navire. Soudain le contact est coupé. Les voilà seuls à 20.000 lieues sous les mers. Si des enfants ont l'occasion de profiter du paysage, d'autres courent bien des dangers.

Les élèves de mademoiselle Bille-en-Tête partent au pôle Sud, sur les traces des Empereurs, ces manchots qui vivent sur le continent Antarctique. M. Pétrel, l'oncle d'Ophélie, qui est ornithologue, les accompagne. Une fois sur place, les enfants doivent faire face à des conditions de vie extrêmes et affrontent les pires dangers.

Nouvelle mission pour les élèves de Mlle Bille-en-Tête : comprendre comment se forme un orage. Les voilà, filant dans les airs, à bord du bus magique transformé en avion. Direction : un cumulonimbus en formation. Mais, à peine partis, M. Nimbus, un présentateur météo qui les accompagne, est emporté par un violent corant d'air chaud... Il faut vite le rattraper avant que l'orage n'éclate !

La classe de Mlle Bille-en-tête part étudier les chauves-souris du parc Yosémite dans l'Ouest des Etats-Unis. Mike, le guide du parc, les accueille et tend de longs filets pour attraper les chauves-souris et pouvoir les regarder de près. Une fois la nuit tombée, les élèves, jumelles en main, observent les animaux. Un oreillard maculé, une espèce très rare, se prend même dans le filet.

Mlle Bille-en-Tête emmène sa classe dans le midi de la France, à la ferme aux papillons. Une fois sur place, un papillon effleure le pendentif de la maîtresse Il s'ouvre et une poudre magique les transforme tous en papillons multicolores. Seul Raphaël est changé en chenille. Il en profite pour sortir de la ferme et tout le monde part à sa recherche, en essayant d'éviter les dangereux prédateurs.

Mlle Bille-entête a promis une surprise à ses élèves : un "marathon des couleurs". S'ils réussissent les épreuves, ils deviendront incollables sur le sujet ! Première découverte : les couleurs proviennent de la lumière. Toute la classe embarque alors à bord du bus magique. Direction le soleil, la source de toute lumière !

La classe de Mlle Bille-en-Tête part observer les microbes dans le sandwich moisi de Kicha. Le bus, devenu microscopique, s'enfonce dans la moisissure, et, armés de casques et de bottes, les élèves étudient les différents champignons. Jusqu'au moment où une élève de CE2 ramasse le sandwich et l'envoie directement dans le bac à compost.

Carlos est ravi : il va pouvoir utiliser Rocco, son chien-robot télécommandé pour collecter des pierres sur Mars. Toute la classe va visiter le système solaire à bord du bus magique transformé en vaisseau spatial. Au cours de l'expédition, Carlos provoque une catastrophe : il déclenche les fusées de Rocco, qui disparaît dans l'espace et se met en orbite autour de Mercure.

Catastrophe ! Les deux coccinelles de Véronque se sont échapées dans la nature. Et la mygale de Raphaël aussi. La maitresse et ses élèves décident de voler au secours des deux petits insectes avant qu'ils ne se fassent manger par l'araignée ! Tous embarquent à bord du Bus Magique, transformé en coléoptère...

C'est bientôt Halloween ! Pour fêter l'évènement, Mlle Bille-en-Tête a décidé de consacrer son cours au corps humain et a apporté des costumes de squelettes pour tous les enfants. Mais un os manque à chaque costume. Seule solution, se rendre à l'usine d'où proviennent les déguisements. Aux élèves de récupérer les éléments manquants. La chasse à l'os commence.

Mlle Bille-en-tête et sa classe partent étudier les coraux et les poissons des mers du Sud au large de la Côte Ouest de l'Australie. Derrière les hublots du sous-marin, ils admirent les poissons-clowns, les poissons-chirurgiens, les poissons-perroquets, les crevettes, les crabes, etc. Mais de nombreux dangers les guettent : une anémone et ses tentacules venimeux, une murène géante, etc.

Au programme de la classe de Mlle Bille-en-Tête : les animaux de la banquise. Seulement, Thomas n'a pas fait son exposé sur les ours polaires... Qu'à cela ne tienne ! La maitresse propose d'aller directement au pôle nord chercher les informations sur "le roi de l'Artique"...

Mlle Bille-en-Tête emmène ses élèves à la Cité des Sciences voir une exposition sur la chaîne alimentaire. Mais elle décide de les emmener sur le terrain et, une fois le bus rétréci, les voilà tous devenus minuscules sur un brin d'herbe pour étudier la photosynthèse. Lorsqu'un criquet menace de dévorer le brin, Lise, l'iguane de Mlle Bille-en-Tête, l'avale à temps, mais est enlevé par un rapace.

Mlle Bille-en-tête décide d'emmener ses élèves pour un voyage en Australie. La maîtresse et sa classe font une première escale sur l'île de Tasmanie où les attend Tiki, une jeune spécialiste de la faune australienne, qui doit les aider à retrouver la trace du mystérieux oiseau : le kookabura. Mais avant d'y parvenir, les jeunes aventuriers découvrent les différents animaux qui peuplent l'île.

Carlos apporte en classe une étrange pierre. Elle appartenait autrefois à son grand-père qui faisait des recherches dans une mine désaffectée en Arizona. Mlle-Bille-en-Tête en profite pour présenter aux élèves sa propre collection de roches et décide de les emmener les étudier sur place. Ensemble, ils embarquent dans le bus magique et partent au coeur du Grand Canyon.