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L'influence des mécanismes neuronaux sur les traitements arithmétiques

En utilisant l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMF), des chercheurs du projet PISA, financé par l'UE, nous permettent de mieux comprendre comment nous apprenons à ajouter, soustraire, multiplier et diviser.
L'influence des mécanismes neuronaux sur les traitements arithmétiques
Même si de nombreuses espèces d'animaux sont capables d'identifier et de comparer des quantités numériques, les humains sont les seuls à pouvoir représenter ces quantités sous la forme de symboles abstraits. En d'autres termes, seuls les humains sont capables de faire des additions, des soustractions, des multiplications et des divisions. Mais ce n'est pas parce que nous sommes capables de faire quelque chose que nous le faisons bien, ce que démontre la proportion supérieure à 20 % des élèves européens de 15 ans peu performants en mathématiques.

«Une faible compétence en mathématiques risque d'avoir des effets économiques et sociaux désastreux. Pour améliorer l'enseignement et réduire le nombre de situations de décrochage, il est donc essentiel de mieux connaître les mécanismes neuronaux réalisant les traitements arithmétiques», déclare Jérôme Prado, coordinateur du projet PISA.

Le domaine de l'enseignement des maths est actuellement agité par un débat sur les avantages liés à l'utilisation de procédures de calcul par rapport à des stratégies basées sur l'usage de la mémoire. Pour contribuer à donner une réponse, le projet PISA, financé par l'UE, a utilisé l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMF) pour tester l'hypothèse selon laquelle les régions fronto-pariétales du cerveau sont le siège de procédures de calcul automatisées pouvant être aussi efficaces que le recours à la mémoire lors du calcul arithmétique. «Nous voulions tirer parti de l'idée selon laquelle, si les problèmes sont résolus à l'aide de stratégies procédurales, des procédures automatiques abstraites devraient être activées par la simple présentation d'un signe arithmétique, indépendamment des opérandes», déclare M. Prado.

Calcul contre mémoire

La question centrale posée par les chercheurs de PISA était de savoir si les procédures de calcul pouvaient être déclenchées automatiquement et sans effort dans le cerveau. Bien que la plupart des études aient suggéré que le calcul est moins efficace que le recours à la mémoire, au moins pour des problèmes arithmétiques simples à un seul chiffre, les chercheurs de PISA soupçonnaient que cette croyance était erronée.

Pour le montrer, ils ont mesuré l'activité cérébrale d'adultes et d'enfants auxquels ont été présentés des problèmes d'addition et de multiplication à un seul chiffre. Pour isoler l'activité associée au signe arithmétique, ils ont également inclus des essais ne présentant que le signe arithmétique. Dans ce cas, les participants ont reçu pour instruction de se contenter de regarder les signes.

«Nous avons constaté que la simple représentation du signe de l'addition, comparée à celle du signe de la multiplication, était associée à une communication et une activité accrues dans un réseau fronto-pariétal», explique M. Prado. «Dans une région du cerveau, l'activité neuronale associée au signe de l'addition a d'autre part permis de prévoir l'ampleur d'un effet d'activation arithmétique mesuré en dehors du scanner, au cours d'une activité comportementale.»

Des additions automatiques

Conformément à des études comportementales récentes, PISA a démontré que les signes de l'addition étaient associés à l'activation automatique de procédures, pouvant être de nature spatiale, qui sont utilisées par les adultes pour résoudre des problèmes d'addition simples. «Cela indique que les procédures arithmétiques peuvent être automatisées et que l'apprentissage de l'arithmétique à un chiffre n'implique pas nécessairement le passage de stratégies procédurales à des stratégies d'usage de la mémoire, mais plutôt le passage de procédures volontaires à des procédures automatisées», déclare M. Prado.

Simple comme 1, 2, 3

Selon lui, cette recherche est très intéressante à cause du rôle fondamental joué par les connaissances procédurales dans l'enseignement des mathématiques. Même si un grand nombre de méthodes d'enseignement sont utilisées dans l'ensemble de l'UE, il est généralement admis que la connaissance des règles mathématiques et les compétences procédurales ont une importance similaire. Pourtant, en ce qui concerne l'arithmétique simple, la plupart des études cognitives soulignent la supériorité du recours à la mémoire par rapport à l'utilisation de stratégies procédurales.

«Nos résultats remettent en question cette affirmation et apportent à de futures études les bases nécessaires pour étudier dans quelle mesure l'automatisation des procédures peut être affectée par les méthodes d'enseignement», déclare M. Prado. «Ces recherches pourraient permettre d'améliorer les résultats des élèves, un objectif essentiel pour de nombreux pays de l'UE.»

Thèmes

Life Sciences

Mots-clés

PISA, maths, enseignement, arithmétique, mathématiques