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Résolution de problèmes et analyse de l'erreur en mathématiques au cycle 3

23 au 27 janvier 2006

Marie-Lise PELTIER

Tous nos remerciements à Marie-Lise PELTIER pour l'ensemble des données qu'elle nous a transmises suite au stage du mois de janvier 2006.

Les points importants...
I. Quelques mots sur les programmes de mathématiques 2002 et leurs enjeux
II. La culture mathématique
III. Qu'est-ce que « faire des mathématiques » 
IV. Les caractéristiques essentielles d'un problème
V. Hypothèses sur la construction et l'appropriation des connaissances
VI. Rôles et fonctions de l'écrit en mathématiques
VII. Les différents modes de calcul
VIII. Calcul et construction du sens des opérations
IX. Les jeux
X. Le point de vue de l'enseignement
XI. Rôles et fonctions, pour le professeur, d'un manuel et d'un livre du maître

Des problèmes pour apprendre à chercher... [fichier word 51ko]
Quelques exemples en CM2, CM1, CE2 et CE1

Bibliographie [fichier word 76ko]
Recueil très complet de documents officiels, de livres et revues pédagogiques, de manuels scolaires et de livres du maître, de sites Internet et d'adresses utiles...

 

* * * * *

I. Quelques mots sur les programmes de mathématiques 2002 et leurs enjeux

Programmes cohérents, ambitieux et en quelque sorte " révolutionnaires " dans la mesure où au-delà des contenus et des compétences devant être acquises en fin de cycle, ils apportent des éléments souvent très précis sur le geste professionnel de l'enseignant.

Ils constituent un réel outil de travail pour les enseignants, ils intègrent l'articulation des différents cycles ainsi que la polyvalence du métier.

4 axes généraux
>> Penser les articulations inter-cycles
>> Ne pas séparer techniques, sens et entrée dans une culture
>> Penser les relations entre les disciplines
>> Renforcer la place de l'oral

En mathématiques deux priorités :
La résolution de problèmes
Le calcul mental


II. La culture mathématique

Les maths

Outils pour le citoyen (comprendre, prévoir, anticiper, agir sur le « monde »)
Outils pour les autres disciplines
Activité autonome, ludique

Mais aussi

Les maths

Science des quantités, de l'espace et des formes, des grandeurs
Science qui a une histoire
Science qui a une épistémologie avec notamment des modes de raisonnement bien identifiés et une définition particulière de la « vérité »

C'est un ensemble de connaissances, mais c'est aussi une pratique.


III. Qu'est-ce que « faire des mathématiques » :

 C'est résoudre des problèmes en développant un raisonnement.

L'activité des élèves

Les élèves doivent donc avoir à
anticiper,
prévoir,
émettre des hypothèses,
réaliser des tâches
valider leurs résultats.

IV. Les caractéristiques essentielles d'un problème

Pour que cette activité cognitive complexe puisse avoir lieu les problèmes posés doivent vérifier certaines caractéristiques :
- le problème doit avoir du sens pour l'élève,
- le problème doit mettre en jeu la notion dont l'apprentissage est visé,
- le problème doit être " consistant ", c'est à dire que la réponse ne doit pas être évidente sinon ce serait un simple exercice d'entraînement,
- l'élève doit pouvoir s'engager dans la résolution avec ses connaissances antérieures, mais il doit aussi avoir à chercher pour les adapter et les faire évoluer,
- la validation doit être le plus possible à la charge de l'élève.

V. Hypothèses sur la construction et l'appropriation des connaissances

Approche socio-constructiviste de l'apprentissage

Nous nous appuyons sur les hypothèses suivantes :

Apprentissage
- par adaptation (on apprend en s'adaptant à un milieu (au sens courant du terme)), le savoir, fruit de l'adaptation de l'élève se manifeste par des réponses nouvelles qui sont la preuve de l'apprentissage. Le « milieu » doit donc être facteur de contradictions, de difficultés, de déséquilibres donc d'adaptation pour l'élève.
- en situation scolaire c'est-à-dire en s'appuyant sur les échanges entre pairs, et en bénéficiant d'un étayage approprié.

- L'activité de résolution de problèmes

Les notions à travailler doivent apparaître comme des réponses optimales à des problèmes qui se posent aux élèves et qui présentent pour eux un certain enjeu, elles doivent avoir un caractère de « nécessité ».

Résoudre des problèmes, c'est anticiper le résultat d'une action soit réelle, soit évoquée, soit symbolique
- sans mener effectivement cette action (si elle est réelle ou évoquée), mais en la représentant par des schémas, par des écritures symboliques, en utilisant des outils mathématiques, par une procédure directe (appel à une démarche efficiente déjà connue ou à un outil particulièrement efficace) ou après avoir construit une stratégie,
- en ayant des moyens de contrôle de la stratégie et de validation des résultats produits ;
- sans qu'on nous montre comment faire.

- La nécessaire institutionnalisation

Lorsque les notions ont ainsi été travaillées au cours de la résolution de plusieurs problèmes, elles doivent faire l'objet d'une institutionnalisation indispensable.
Au cours de cette phase, les connaissances personnelles des élèves changent de statut, elles deviennent des savoirs partagés par tous, organisés en réseau.

 - Entraînement et évaluation

Les connaissances ainsi construites doivent ensuite faire l'objet d'une longue phase d'entraînement avant de pouvoir être évaluées.
Cet entraînement peut être sous forme d'exercices d'application directe, d'exercices nécessitant de mobiliser plusieurs connaissances antérieures, ou de transférer les connaissances apprises dans un nouveau contexte.

Remarque à propos de la manipulation

La manipulation a quatre fonctions essentielles :

Ø Accumulation d'expériences qui, pour être disponibles par la suite, ont à être décrites et surtout évoquées après avoir été conduites et qui conduisent à la constitution d'images mentales

Ø Support pour l'entrée dans l'activité et la compréhension du but à atteindre

Ø Support pour l'anticipation afin de
- travailler sur les images mentales construites et les éprouver
- développer le raisonnement en émettant des hypothèses

Ø Validation des hypothèses formulées dans le registre du raisonnement et des démarches de résolution élaborées

VI. Rôles et fonctions de l'écrit en mathématiques

>> support de l'activité mathématique conduite dans la classe (écrits préparés par le maître)

énoncé d'un problème (texte, image, dessin, figure)
travaux fictifs d'élèves
représentations d'un jeu (piste, feuille de jeu, etc…)

>> trace de l'activité mathématique personnelle des élèves (écrits privés)

Brouillon, narration de recherche, schémas, dessins, calculs

 >> trace de l'activité mathématique collective (écrit collectif validé par l'enseignant à partir d'écrits personnels ou de groupes mis en discussion)

Pour garder mémoire du travail effectué (constitution d'une mémoire didactique)
Pour communiquer avec les parents sur l'activité mathématique effectuée

>> écrits mathématiques de référence sous la responsabilité de l'enseignant (aide-mémoire construit au cours des phases d'institutionnalisation)

>> écrits pour s'entraîner

- à utiliser les connaissances nouvelles ou anciennes
- à acquérir une grande habileté notamment technique

>> écrits pour rendre au maître qui donneront lieu à une évaluation.

VII. Les différents modes de calcul


Calcul automatisé
Calcul réfléchi
Calcul mental
Résultats mémorisés
Calculatrices logiciels
Techniques écrites algorithmisées
Calcul mental
Procédures personnelles
Calcul écrit Procédures personnelles
Calcul approché
Calcul mental
Calcul instrumenté
Calcul écrit
Calcul mental
Calcul écrit
Calcul mental
Calcul écrit
Calcul instrumenté

Différents regards sur les différents modes de « calcul » :

Tout d'abord un regard qui met en avant le moyen utilisé pour calculer :

On trouve alors 3 grands modes :
- le calcul mental (effectué dans la tête),
- le calcul écrit qui nécessite l'utilisation d'un crayon et d'un support pour écrire,
- le calcul instrumentalisé (il nécessite un matériel spécifique : abaque, table à compter, règle à calculer, calculatrice, logiciel de calcul)

Ensuite un regard qui met en avant le type de fonctionnement cognitif convoqué :

On trouve ici 2 grands modes :
- le calcul automatisé, c'est-à-dire un calcul dans lequel à chaque étape, le sujet ne se pose pas de question sur ce qu'il a à faire et restitue des faits numériques mémorisés ainsi des stratégies mémorisées,
- le calcul réfléchi qui lui nécessite de la part du sujet u travail cognitif spécifique : analyse des données, recherches de stratégies adaptées à ces données, mise en œuvre de ces stratégies et contrôle des étapes et du résultat.

On peut donc naturellement trouver :

- du calcul mental automatisé (tables d'addition, de multiplication etc.),
- du calcul mental réfléchi (calculer 27x12),
- du calcul écrit automatisé (les algorithmes de calcul posés en colonne par exemple), 
- du calcul écrit réfléchi (saut sur la droite numérique par exemple),
- du calcul instrumentalisé automatisé (utilisation de la calculatrice pour faire une opération),
- du calcul instrumentalisé réfléchi (par exemple afficher 777 sans taper sur le chiffre 7, ou encore utiliser une calculatrice pour trouver le reste d'une division)

VIII. Calcul et construction du sens des opérations

Le rapport entre calcul et construction du sens est dialectique.

Avancée simultanée du travail sur les problèmes et sur les procédés de calcul.

Sans mise en perspective dans un problème, le sens d'une opération ne peut pas se construire, mais sans recherche de stratégies de calcul pour le résoudre, le travail sur le problème ne peut aboutir.

Donc travail sur des problèmes que les élèves résolvent par des méthodes personnelles empiriques. Prise en compte de ces différentes procédures par l'enseignant pour les identifier, les « mutualiser », les faire évoluer.

Construction progressive et parallèle de méthodes expertes de calcul réfléchi et de calcul automatisé (algorithme de calcul) ; retour aux problèmes pour investir des méthodes construites, les faire fonctionner se les approprier tout en enrichissant le sens de l'opération étudiée. ( Voir document résolution de problèmes, procédures personnelles, procédures expertes).

La progression de l'apprentissage du calcul est une progression « spiralaire ».

IX. Les jeux

Les jeux peuvent être utilisés avec plusieurs fonctions

 Des jeux spécifiques, points de départ pour des situations d'apprentissage

 ex : Jeux de portrait, jeu du miroir, etc.

Des jeux spécifiques, pour mémoriser des « faits » numériques (calcul mental automatisé)

>> Jeux de société :

Jeu de cartes recto verso, mémory, mariages, bataille, rami, familles…avec ou sans plateau de jeu (piste type « trivial poursuite », « qui est-ce ? »,…)
Jeu de loto, etc.

>> Jeux collectifs

Compétitions, loto oral, domino oral

>> Jeux individuels

Coloriages « magiques », points à joindre, pyramides, carrés magiques, étoiles… à compléter

 Des jeux spécifiques, pour effectuer du calcul réfléchi

 >> Jeux collectifs

Compétitions, loto oral, domino oral

>> Jeux individuels

Coloriages « magiques », points à joindre, pyramides, étoiles… à compléter

Pour obtenir la meilleure efficacité, les jeux doivent être en étroite articulation avec les séances ordinaires, ils ne doivent pas apparaître comme des simples distractions !

X. Le point de vue de l'enseignement

Pour penser l'enseignement des mathématiques nous devons nous demander :

« dans quelles conditions un sujet peut-il être amené à avoir besoin de telle connaissance mathématiques et pourquoi la construirait-il ? ».

Dans des situations non didactiques, le sujet est amené à faire des choix, produire des actions, des formulations, des arguments, des preuves fondées sur des savoirs, des connaissances, des savoir-faire, pour agir sur un milieu qui comprend des éléments naturels, matériels, vivants donc culturels, humains, etc.

L'enseignement devrait donc se donner comme objectif de rendre l'élève capable d'utiliser ses connaissances dans un milieu non didactique.

Il s'agit donc d'une part

- de proposer le plus souvent possible des situations dans lesquelles les élèves se trouvent en inter-action avec un milieu qui aura été aménagé de façon à ce que les intentions didactiques du professeur ne soient pas visibles autrement que par l'idée que l'élève se fait du métier d'enseignant. Le professeur assure la dévolution du problème, il rappelle le règles du jeu, il encourage, il observe, il décide de laisser vivre certaines erreurs liées à l'apprentissage et d'en régler d'autres, il organise le passage de la situation d'action à celle de formulation, voire celle de preuve, il envisage une phase de conclusion,
- d'institutionnaliser les connaissances qui doivent devenir des savoirs partagés
- d'aider les élèves à pratiquer, à s'entraîner
- de vérifier le processus d'apprentissage.

XI. Rôles et fonctions, pour le professeur, d'un manuel et d'un livre du maître

Le manuel de l'élève

>> support de certaines situations
>> recueil d'exercices d'entraînement de transfert
>> texte du savoir

 Le livre du maître

>> proposition argumentée de progression et de répartition (programmation) sur l'année
>> indications précises sur les objectifs de chaque séance et sur les compétences travaillées
>> proposition argumentée d'activités de calcul mental de calcul réfléchi, de résolution mentales de problèmes, de reconnaissances de formes, etc.
>> proposition argumentée de situations d'apprentissages pour les élèves
>> proposition de mise en œuvre des situations et de gestion de l'hétérogénéité
>> prévision des productions envisageables et de leur prise en compte
>> proposition de gestion des erreurs
>> indications précises sur les savoirs à institutionnaliser, sur ceux à faire vivre avant de les institutionnaliser.

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