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 :
Envoyé au tableau pour expliquer sa méthode à ses camarades, il
fait le dessin suivant :
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
:
- se faire un dessin approximatif sur le papier ou dans sa
tête, c’est-à-dire « bricoler » en supposant le problème résolu,
- 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.
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 …