Bases cérébrales et comportementales de l'apprentissage des fractions

The neurocognitive bases of fraction processing in the learning brain

• Auteur / Autrice : Parnika Bhatia
• Direction : Jérôme Prado, Marie-Line Gardes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences cognitives
• Date : Soutenance le 26/11/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (Bron ; Saint-Priest-en-Jarez ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Bert De Smedt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Prado, Marie-Line Gardes, Christine Schiltz, Jana Trgalová
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bert De Smedt, Christine Schiltz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Enseignement primaire

Jeux sérieux

Neurosciences cognitives

Fractions

Mots clés libres

Ratio processing system

Fractions

IRMf

Apprentissage par le jeu

Mathématiques

Ratio processing system

Fractions

FMRI

Game-based learning

Math

Résumé

La connaissance des fractions est essentielle au développement général des connaissances mathématiques. Bien que l'enseignement des fractions commence généralement à l'école primaire, les enfants rencontrent souvent des concepts liés aux fractions bien plus tôt dans leur environnement (par exemple, en partageant des bonbons, en variant le goût sucré d'une boisson, en préparant des muffins). Une théorie récemment proposée < the ratio processing system theory > postule que la compréhension des fractions et des rapports de grandeurs (i.e. ratio) sous forme non symbolique est fondamentalement liée. Cependant, les recherches sur la théorie RPS et les interventions d'apprentissage des fractions en classe sont limitées. Dans cette thèse, nous examinons le traitement de ratios, sous forme symbolique et non symbolique, du point de vue des neurosciences cognitives et de l'approche pédagogique basée sur le jeu. Tout d'abord, la précision de la performance dans une tâche d'appariement à l'échantillon révèle que des personnes ayant des compétences variées en mathématiques sont perceptivement sensibles aux ratios non symboliques mais pas aux ratios symboliques (i.e. les fractions). Deuxièmement, des analyses univariées et multivariées des schémas d'activité neuronale à l'aide d'un paradigme d'adaptation IRMf suggèrent l'absence de chevauchement des activations cérébrales pour les ratios symboliques et non symboliques. Troisièmement, des analyses de la compréhension des fractions chez les élèves de cinquième année, soit après l’utilisation d’un jeu en classe sur les fractions (Math Matthews Fractions), soit après un enseignement classique (sans jeu), ont révélé que le jeu n'a pas amélioré les compétences générales sur les fractions par rapport à l'enseignement classique (sans jeu). En revanche, il a amélioré la compréhension des nombres décimaux. Les résultats de cette thèse nous amènent à plaider en faveur d'un enseignement des fractions axé, d’une part sur des méthodes perceptives et d’autre part, sur la construction de liens entre les différents aspects des fractions. Les recherches futures offrent un grand potentiel pour l'étude de jeux sur les fractions qui aident les enseignants à développer, chez leurs élèves, une compréhension générale des fractions, enracinée dans les liens percept-concept.

Fraction knowledge is critical for the holistic development of mathematical knowledge. While fraction instruction typically begins in elementary school, children often encounter relational numerical concepts much earlier in their environment (e.g. sharing candies, varying the sweetness of a drink, baking muffins). A recently proposed theory, the Ratio Processing System (RPS) theory, posits that the understanding of symbolic fractions and non-symbolic relational magnitudes are fundamentally intertwined. However, research on the RPS theory and fraction learning interventions in the classroom are limited. In this dissertation, we examine both symbolic and non-symbolic relative magnitude processing from the perspectives of both cognitive neuroscience and educational game-based approach. First, performance accuracy on a match-to-sample task reveals individuals with varied mathematics skills to be perceptually sensitive to non-symbolic ratios but not to symbolic fractions. Second, univariate and multivariate analyses of neural activity patterns using a fMRI-adaptation paradigm suggest for an absence of overlapping brain activations for symbolic and non-symbolic magnitudes. Third, analyses of fifth grader’s fraction knowledge after playing a fraction educational game developed in the context of this thesis (Math Matthews Fractions) revealed that the game did not improve overall fraction skills above traditional classroom instruction. However, it was successful at improving decimal knowledge. The results of this thesis lead us to argue for fraction instruction focused on both perceptual methods as well as building connections between the multiple constructs of fractions. Future research holds great potential for examining fraction games that support teachers in building a holistic fraction understanding, rooted in the percept-concept links.