Une étude apporte un éclairage sur la manière dont notre cerveau interprète les concepts mathématiques avancés
Notre capacité à comprendre des concepts mathématiques abstraits est un trait unique que l’on ne retrouve pas chez d’autres espèces. Même sans éducation formelle ou langage spécifique, les humains ont des intuitions inhérentes en matière d’arithmétique et de géométrie, liées à l’activité d’une zone spécifique du cerveau: le sillon intrapariétal. Pourtant, la manière dont notre cerveau interprète des concepts mathématiques avancés reste largement méconnue. Selon de précédentes recherches, la compréhension de concepts mathématiques complexes ne repose pas sur des circuits linguistiques dans le cerveau, mais elle fait appel à des systèmes plus anciens liés à la numérosité et au traitement de l’espace. Cette découverte soulève plusieurs questions. Comment le langage affecte-t-il l’enseignement des mathématiques à l’école? À quelle vitesse les nouveaux concepts mathématiques sont-ils assimilés dans le réseau cérébral réagissant aux mathématiques? Dans quelle mesure l’activité neuronale des enfants pendant l’apprentissage est-elle comparable à celle des adultes?
Des études de laboratoire à la recherche expérimentale
Pour répondre à ces questions, le projet NeuroMath, financé par l’UE, a fusionné la neuro-imagerie et les techniques de développement et d’éducation. Cette étude a été financée par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie. Le paradigme innovant de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle IRMf impliquait que les participants regardent une brève leçon vidéo sur un nouveau concept mathématique et effectuent des tâches destinées à évaluer leur compréhension avant et après la vidéo, au cours d’une session d’IRMf. Au cours de l’étude menée sur les adultes, 21 étudiants de première année d’université ont regardé des vidéos sur quatre sujets différents: la théorie de la mesure, les processus stochastiques, la biologie végétale et le droit de la propriété. Leur tâche consistait à déterminer si les énoncés mathématiques et non mathématiques prononcés étaient vrais ou faux. «Les résultats ont montré que si les concepts mathématiques connus activaient un réseau cérébral distinct réagissant aux mathématiques, les nouveaux concepts n’étaient pas automatiquement intégrés dans ce réseau», note Marie Amalric, coordinatrice du projet. En d’autres termes, les cerveaux ne classent et ne traitent pas immédiatement les nouvelles informations mathématiques de la même manière que les concepts familiers. Le nouveau paradigme de l’IRMf a toutefois permis d’évaluer l’efficacité du matériel pédagogique mathématique. Ces résultats ont été publiés ici. Pour les enfants, l’étude s’est concentrée sur l’enseignement du principe de commutativité de la multiplication. Dans un premier temps, les chercheurs ont évalué les connaissances antérieures d’enfants de 5 ans à l’aide d’un jeu de distribution de pommes. Les résultats ont montré que la symétrie inhérente à la commutativité aidait les enfants d’âge préscolaire à saisir le concept.
Les méthodes d’enseignement doivent évaluer la compréhension préalable et la maîtrise des symboles
L’équipe du projet a ensuite testé les connaissances des enfants de l’école primaire en matière de commutativité de la multiplication à l’aide d’un jeu de comparaison de nombres. Une évaluation de suivi basée sur le jeu a révélé que l’efficacité de la méthode d’enseignement dépendait de la compréhension préalable des enfants et de leur capacité à utiliser des symboles dans les concepts mathématiques. Les enfants qui maîtrisaient moins bien les symboles ont montré une amélioration dans les essais symboliques, tandis que ceux qui maîtrisaient mieux les symboles se sont améliorés dans les essais non symboliques. «Ces constats suggèrent que le principe de commutativité de la multiplication peut ne pas être compris intuitivement avant l’enseignement formel», souligne Marie Amalric. Les résultats du projet sont publiés ici. Pour évaluer l’impact du matériel de formation sur l’activité neuronale, 20 enfants de deuxième année ont participé à un jeu similaire de comparaison de nombres avant et après une intervention pédagogique menée pendant un examen d’IRMf. Les chercheurs ont également scanné 20 adultes afin d’établir une corrélation entre la maturité fonctionnelle et les performances. L’analyse des données d’IRMf est en cours. «Nous avons offert une nouvelle perspective sur le développement de concepts mathématiques abstraits par le biais de l’éducation formelle. Notre approche diagnostique permet de mieux comprendre comment notre cerveau perçoit, apprend et comprend de grandes quantités qui présentent des caractéristiques de regroupement, tant au niveau comportemental que neuronal. Nous avons également obtenu des résultats encourageants sur la primauté de l’apprentissage symbolique dans la commutativité de la multiplication», conclut Marie Amalric.
Mots‑clés
NeuroMath, concepts mathématiques, cerveau humain, enseignement, symboles, IRMf, commutativité de la multiplication, neuro-imagerie
