Enfances & Psy
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I.S.B.N.27492-01640
136 pages

p. 90 à 95
doi: en cours

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Dossier

no24 2003/4

2003 enfances & PSY Dossier

Les mathématiques apprennent-elles à raisonner ?

Philippe Lombard Philippe Lombard est chercheur à l’irem (Institut de recherche sur l’enseignement des mathématiques) de Lorraine. On lira avec intérêt son article « De l’intuition à l’argumentation, est-il possible d’apprendre à raisonner ? », à paraître dans Bulletin de l’apmep, nËš 451, avril 2004.
Poser la question de former les enfants au raisonnement oblige à réfléchir, d’une part, sur les « outils » que l’on veut inculquer aux élèves pour leur donner les moyens de résoudre des problèmes et, d’autre part, sur les moyens d’enseigner ces outils. Mots-clés : Raisonnement, langage, démonstration.
Bosse des maths, esprit scientifique, intuition, finesse, raisonnement, intelligence…, toutes ces qualités intellectuelles correspondent-elles à des dons particuliers qui sont des viatiques indispensables à la réussite scolaire ou sont-elles susceptibles, au contraire, d’être apportées par l’Ecole et par l’éducation ? À en croire les professeurs de mathématiques aujourd’hui, c’est une des premières caractéristiques de leur discipline que « d’apprendre à raisonner » aux élèves du collège ou du lycée et ceci, tout spécialement, grâce à l’entraînement à la démonstration mathématique dont on connaît l’importance dès la classe de quatrième. Mais l’enseignement des mathématiques permet-il vraiment de « structurer l’esprit » de chaque enfant ou est-il réservé aux « forts en maths » qui seraient, par essence, plus intelligents que la moyenne ?
La réponse n’est pas si simple.
D’abord parce que la question même de l’intelligence (et plus particulièrement celle de l’intelligence scientifique) nous confronte à un problème profond et difficile dont personne ne peut réellement prétendre détenir la clef. Pour l’anthropologie du xxe siècle, la pensée scientifique s’oppose à la pensée sauvage car elle passe par des formalisations évoluées et spécialisées – mathématiques notamment –, alors que la pensée « primitive » s’apparente au bricolage, qui récupère à ses fins, avec plus ou moins d’ingéniosité, des éléments disparates et conçus dans d’autres buts… Mais il n’est peut-être pas inutile de rappeler ici que les Grecs eux-mêmes avaient formulé depuis longtemps la difficulté, et de la plus belle façon qui soit… Ils possédaient en effet dans leur mythologie deux déesses dédiées à « l’intelligence ». La première s’appelait Métis, c’était une nymphe qui représentait la ruse, l’intelligence pratique et parfois même la roublardise. Elle était consacrée par exemple aux navigateurs dont l’expérience et l’intuition, l’agilité d’esprit et le métier leur permettaient de se tirer d’affaire dans les situations difficiles, de trouver la bonne route parmi les dangers, d’échafauder des plans ou des itinéraires permettant d’arriver à bon port. Elle représentait généralement les capacités difficiles à saisir d’une pensée susceptible de s’adapter à des problèmes peu formalisables, à des paramètres impossibles à quantifier, à des données changeantes, à des décisions instinctives plutôt qu’à des déductions véritablement rigoureuses… La seconde déesse personnifiant l’intelligence, mais disons cette fois une intelligence plus scientifique, plus « technique », n’est autre qu’Athéna. Elle correspond de son côté à ce que l’on peut considérer comme une forme de pensée plus évoluée que celle, plus intuitive et moins formelle, qui est rattachée classiquement à Métis.
Mais ce qui vaut précisément d’être conté et qui pourrait être particulièrement en prise avec notre sujet, c’est le mythe relatif à la naissance de la déesse Athéna : il se trouve en effet que Zeus, chef incontesté de l’Olympe, avait séduit et épousé la nymphe Métis et l’avait rendue enceinte… Mais apprenant qu’une prophétie lui prédisait que la descendance de Métis le détrônerait un jour comme il avait lui-même détrôné son père, il décida purement et simplement de se débarrasser de la mère ainsi que de sa promesse d’enfant en avalant la nymphe… Seulement voilà : quelques mois plus tard (correspondant certainement à la durée normale de gestation…) Zeus ressenti une violente douleur à l’intérieur de sa tête. Sur les conseils d’Hermès il commanda alors à Héphaïstos de lui ouvrir le crâne… et c’est ainsi que l’on vit surgir de celui-ci, toute armée, la déesse Athéna… Comment dire mieux, d’une part, que la pensée scientifique ne peut s’élaborer que par l’activité intellectuelle. Elle seule est susceptible de permettre la maturation, la mise en forme définitive de la capacité d’invention du praticien qui, elle, est principalement faite de finesse et de sens technique ? Comment insister plus, d’autre part, sur le fait que, si « l’intelligence pure » existe, elle repose nécessairement sur la pratique, sur le « métier », et donc qu’elle naît fondamentalement de l’habitude, de la manipulation systématique et de l’expérience acquise dans la fréquentation quotidienne ?
C’est précisément à ce dialogue – à cette opposition et à cette complémentarité – entre métier et théorisation que confrontent directement le problème de l’apprentissage du raisonnement en général et l’apprentissage des mathématiques en particulier. En effet, l’élève à qui l’on demande de résoudre un problème d’arithmétique ou de géométrie doit non seulement trouver la solution (ce qui est une question d’intuition et de méthode), mais il doit aussi la rédiger, l’argumenter et l’expliquer (ce qui le met face, cette fois, à des difficultés de nature plus rhétorique). Prenons un exemple extrêmement simple. On pose à un élève de sixième l’exercice suivant : place le point « 5 » sur la droite graduée ci-dessous :
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Envoyé au tableau pour expliquer sa méthode à ses camarades, il fait le dessin suivant :
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et déclare : « Je place le point “5”, et je vérifie avec mon double-décimètre que la distance est correcte… ».
C’est une illustration éclatante du fait que la question, aussi élémentaire qu’elle paraisse, le mettait en face d’une double difficulté qui l’obligeait à procéder de façon plus ou moins explicite en deux temps :
  1. se faire un dessin approximatif sur le papier ou dans sa tête, c’est-à-dire « bricoler » en supposant le problème résolu,
  2. déduire de ce dessin un moyen de déterminer précisément ce que l’on cherche pour en déduire une construction effective.
« Les méthodes viennent à la fin »
Nietzsche
Ce texte reprend une partie de la conférence prononcée le 10 octobre 2003 au colloque de Metz intitulé :
« L’enseignement des mathématiques du collège au premier cycle de l’université » et qui doit paraître dans le Bulletin de l’association des professeurs de mathématiques (apmep).
Nous remercions la rédaction de cette revue de nous avoir autorisés à en publier des extraits.
 
Maîtriser l’analyse, maîtriser la synthèse
 
 
La première phase est celle de « l’analyse » du problème, la seconde est celle de la « synthèse »… Toutes les deux se retrouvent toujours dans n’importe quel problème de raisonnement. Le moment de l’analyse consiste à explorer les conséquences d’une situation, hypothétique ou non. C’est ainsi que procèdent les garagistes ou les médecins. Confrontés à une panne et à des symptômes, il testent des explications possibles en passant d’abord en revue leurs conséquences. Ainsi, si votre voiture ne démarre pas, le garagiste se dira : « c’est peut-être l’arrivée d’essence » et cherchera les causes d’une telle conclusion sous la forme : « oui, mais si c’est bien l’arrivée d’essence, alors c’est peut-être la pompe », puis il en déduira des conséquences possibles, des symptômes nouveaux que vous ne lui avez peut-être pas signalés, et il inspectera tel ou tel autre organe du véhicule de façon à mettre le doigt sur la cause effective de la panne. Au contraire, le moment de la synthèse ne consiste plus à chercher ; il suppose que l’on ait trouvé et que la question soit simplement de mettre au point une démarche créative permettant de passer de choses connues (ou données) à des choses recherchées (ou souhaitées). C’est le cas dans la classique démonstration géométrique, mais c’est aussi le cas dans d’autres types de problèmes comme ceux de constructions de figures ayant des propriétés données ou comme ceux de mise au point « d’algorithmes » destinés à effectuer des calculs plus ou moins complexes.
La spécificité et la difficulté des mathématiques est justement dans le fait qu’elles demandent de maîtriser aussi bien l’analyse que la synthèse. Chacun admettra sans peine que l’apprentissage, ou simplement l’amélioration, de ce genre de capacités est un redoutable défi qui se pose à tous les pédagogues et que l’on doit légitimement se demander comment l’apprentissage des mathématiques – ou l’apprentissage tout court – peut contribuer à l’émergence chez les élèves de facultés de raisonnement plus ou moins sophistiquées.
On peut toujours, évidemment, supposer qu’il y a des élèves doués naturellement et que les autres ne le seront jamais. Cela rend inutile toute réflexion sur l’efficacité de ce genre d’apprentissage, sauf peut-être au niveau de la « haute compétition », c’est-à-dire de la formation optimale des petits génies. Mais il y a là une illusion qui relève de la facilité : les « petits génies » sont simplement, le plus souvent, des enfants qui apprennent plus vite que les autres (et en ayant très peu besoin de faire appel aux capacités du maître…). Il est donc clair qu’à partir du moment où l’on se pose la question de l’apprentissage – même de haut niveau – en matière de raisonnement, on en revient à la question de l’aide aux élèves qui ne pénètrent pas forcément d’emblée dans le plaisir de résoudre des devinettes mathématiques et qui n’ont pas forcément à leur portée immédiate les ressources nécessaires pour en trouver les clefs.
 
Acquérir outils et méthodes
 
 
Malheureusement, en mathématiques, la tendance actuelle est plutôt de mettre en avant des activités comme celle qui consiste à « démontrer » et qui nécessitent d’emblée non seulement une « vision » des situations-problèmes qui sont proposées, mais aussi des capacités très élaborées dans la maîtrise du langage et de la rédaction. Bien peu d’élèves parviennent à pénétrer la « règle du jeu » – et encore moins son intérêt – si bien que cette partie de l’enseignement ne parvient guère à donner à la majorité des enfants l’envie de raisonner.
Pour pouvoir progresser l’école doit avoir l’humilité et la lucidité de penser qu’elle ne sait pas vraiment apprendre à raisonner en dehors de la transmission d’outils et de méthodes qui ont été forgés au cours des siècles pour résoudre certains problèmes. Ce sont justement ces outils et ces méthodes que l’élève doit acquérir en progressant à son rythme et on peut penser que cette acquisition n’est pas d’une nature vraiment différente de celle de l’acquisition d’un langage
Prenons à nouveau un exemple. L’enseignement primaire de jadis culminait sur la résolution d’exercices du type suivant :
Une couturière confectionne des chemises ou des pantalons. Elle vend chaque chemise 5,30 francs et chaque pantalon 8,70 francs. Ce mois-ci, elle a réalisé 25 pièces en tout, qui lui ont rapporté 180,10 francs. Combien a-t-elle confectionné de chemises ?
Le lecteur qui ne connaît pas ce genre de problèmes risque fort de se perdre un long moment en tâtonnements ! C’est la phase d’analyse… Mais l’apprentissage est précisément fait pour apporter le moyen de trouver, même si l’on n’est pas capable, par soi-même, d’inventer complètement la solution.
Et que l’on se rassure : bien peu de « petits génies » trouveront d’emblée ! Le premier moyen réaliste de trouver rapidement et facilement la clef de l’énigme n’est même pas de « raisonner », c’est de faire le rapprochement entre cet énoncé et un autre, analogue, que l’on aura déjà rencontré et dont on aura retenu la solution. Pour ne pas trop laisser languir le lecteur, voici un exercice modernisé construit sur le même modèle :
Une tirelire contient des billets de 5 et de 10 euros, elle contient 37 billets en tout, pour une somme 305 euros. Combien contient-elle de billets de chaque sorte ?
Le premier travail à faire est alors de faire le rapprochement entre les deux situations (c’est une phase de raisonnement par analogie), puis il s’agira d’adapter la méthode déjà rencontrée aux données du problème nouveau. Autrement dit : l’élève qui a déjà vu le problème de la tirelire doit savoir le reconnaître et l’adapter au problème de la couturière (ou vice versa). Mais ce type d’apprentissage est précisément celui qui est effectué lors de l’apprentissage du langage. Il revient (de façon consciente ou non) à rapporter des situations analogues à des formalismes analogues.
 
Apprendre un langage
 
 
Mais il y a aussi un second moyen, beaucoup plus élaboré et plus puissant – car il « pense » à notre place – pour résoudre le problème de la couturière et de la tirelire. Ce moyen relève d’un autre apprentissage (mais qui est aussi l’apprentissage d’un langage), c’est celui de l’algèbre. Ici encore, le « bon » élève est simplement celui qui entre plus vite dans le jeu et qui acquiert plus vite les techniques formelles mises en jeu. Généralement, l’élève plus lent parvient lui aussi à « parler la langue » de la mise en équation qui lui apportera la réponse.
C’est en tout cas le vrai but de l’école : apprendre le mieux possible au plus grand nombre à utiliser les outils qui ont été forgés au fil des générations pour résoudre des problèmes.
Nul ne peut prétendre, évidemment, que savoir résoudre le problème de la tirelire ou de la couturière apprenne à « raisonner » au sens de former, comme par miracle, des intelligences supérieures universelles. Nul ne peut prétendre non plus que ce type d’apprentissage soit d’une utilité fondamentale pour préparer les garagistes ou les médecins aux enquêtes et aux déductions qui peuvent guider leurs diagnostics. Simplement, c’est la préparation indispensable aux métiers de scientifiques…
Solution « raisonnée » du problème de la tirelire
Supposons que tous les billets soient des billets de cinq euros, comme il y en a 37, cela donne une somme de 37 x 5 = 185 euros. Il manquerait donc 305 – 185 = 120 euros.
Mais alors il faut remplacer des billets de 5 euros par des billets de 10 euros pour augmenter la somme totale. Or, chaque fois que l’on change un billet de 5 en un billet de 10 on augmente le total de 5 euros, si bien qu’il faut changer 120 : 5 = 24 billets de 5 en billets de 10…
Solution « algébrique » du problème de la tirelire : Appelons x le nombre de billets de 5 euros. Comme il y a 37 billets en tout, il y a donc (10 – x) billets de 10 euros.
Dès lors la somme contenue dans la tirelire se calcule sous la forme :
5 x x + 10 x (37 – x),
et on a donc :
5 x + 10 (37 – x) = 305.
Ce qui donne, en résolvant l’équation : x = 13 …
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