Faites de la place : L’importance du raisonnement spatial pour l’apprentissage des mathématiques

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Ce texte de Katie A. Gilligan publié dans Frontiers for Young Minds en mai 2020, a été traduit de l’anglais par S.Desmidt, Marie Palu et G. Dehaene-Lambertz.

Résumé
Le raisonnement spatial vous permet de comprendre l’emplacement et la dimension des objets, ainsi que la manière dont les différents objets sont liés. Il vous permet également de visualiser et de manipuler des objets et des formes dans votre tête. Non seulement le raisonnement spatial est très important pour les tâches quotidiennes, mais de nouvelles recherches montrent qu’il est essentiel pour l’apprentissage des mathématiques. Les enfants et les adolescents qui sont doués pour les tâches spatiales sont également doués pour les questions de mathématiques. Nous savons également que certaines des parties du cerveau qui sont utilisées pour le raisonnement spatial sont également activées lorsque nous faisons des mathématiques. La bonne nouvelle, c’est que de nombreuses études ont montré que l’on peut améliorer son raisonnement spatial grâce à la « entraînement ». Cela signifie que la pratique de jeux spatiaux et d’activités spatiales peut améliorer vos performances spatiales. Dans cet article, nous examinons les moyens d’améliorer votre raisonnement spatial et nous nous penchons sur les preuves qui suggèrent que l’entraînement spatial peut également améliorer les mathématiques.


INTRODUCTION

Comment savez-vous comment organiser des objets, comme faire une valise ou ranger vos livres dans votre cartable ? Comment savez-vous mettre vos chaussures aux bons pieds et comment boutonner correctement votre chemise ? Comment s’orienter dans un centre commercial et comment savoir quoi faire si l’on descend du bus au mauvais arrêt ? Toutes ces tâches reposent sur des capacités spatiales. Les gens se fient à leurs capacités de raisonnement spatial des centaines de fois chaque jour sans s’en rendre compte.Même au-delà des activités quotidiennes, la plupart des gens, y compris les enseignants, ne se rendent pas compte que le raisonnement spatial peut influer sur vos résultats scolaires, en particulier dans les cours de mathématiques. Alors, qu’est-ce que le raisonnement spatial, et est-il possible d’en devenir un expert ?


LE RAISONNEMENT SPATIAL : COMMENT LE MESURER ?

Nous utilisons le raisonnement spatial pour comprendre l’emplacement (position) et les dimensions (telles que la longueur et la taille) des objets, et comment les différents objets sont liés les uns aux autres. Il est important de comprendre que le raisonnement spatial n’est pas seulement une compétence, mais un ensemble de compétences différentes. Certaines des compétences spatiales les plus importantes, et les tests utilisés par les scientifiques pour les mesurer, sont décrits ci-dessous.

Rotation mentale

La rotation mentale nous permet de tourner (manipuler) des images dans notre tête. Vous pouvez essayer un exemple si vous fermez les yeux et imaginez un objet comme une voiture. Maintenant, pouvez-vous imaginer à quoi ressemblerait la voiture si elle était retournée ? Pour ce faire, vous devez utiliser la rotation mentale. Dans la figure 1, vous pouvez voir un test de rotation mentale. Pouvez-vous choisir l’image du bas qui est la même que celle du haut ? Pour le savoir, vous devez tourner les vaches dans votre tête. Vous pouvez alors dire que la vache de gauche est la même que celle du dessus. Peu importe la façon dont vous tournez la vache à droite, elle sera toujours tournée dans la mauvaise direction. Pour réussir ce test, il faut faire une rotation mentale. Il n’est pas seulement possible de tourner des objets dans votre tête, vous pouvez aussi imaginer à quoi ressemblerait un objet s’il était cassé en deux, plié ou déformé.

Figure 1 – Exemple de tâche de rotation mentale.


Distinction figure-fond

Les compétences de distinction figure-fond sont les compétences spatiales nécessaires pour séparer un objet ou une image d’un arrière-plan plus complexe. Cela nous permet de comprendre comment des structures compliquées sont constituées de parties séparées. Un exemple très simple est présenté à la figure 2. Pouvez-vous trouver la forme orange dans l’image plus compliquée ?

Figure 2 – Exemple de tâche de distinction figure-fond

Échelle spatiale

L’échelle spatiale est la capacité à transformer les informations entre des représentations de tailles différentes. Par exemple, l’échelle spatiale est nécessaire pour pouvoir comprendre que l’image d’un parc que vous voyez sur la carte de votre téléphone représente le même parc que celui dans lequel vous vous trouvez. Un autre exemple est lorsque nous assemblons des meubles comme une armoire en utilisant des instructions sur papier avec de petits diagrammes. Pour construire l’armoire, vous devez être capable de comprendre que la petite image d’une porte d’armoire dans le diagramme représente la porte grandeur nature que vous avez déballée et que vous devez assembler. Sur chaque image de la figure 3, il y a une boule placée entre deux arbres. Quelle image du bas est la même que celle du haut ? Vous remarquerez que les deux images du bas ne sont pas de la même taille que celle du haut. Cela signifie que vous devez utiliser l’échelle spatiale pour les comparer (la bonne réponse est à gauche).

Figure 3 – Exemple de tâche de mise à l’échelle spatiale.

Navigation

Les compétences en matière de navigation sont essentielles pour se déplacer dans notre environnement et nous amener aux endroits où nous devons aller. Pour naviguer correctement, vous devez être capable de comprendre les relations entre les bâtiments, d’utiliser des points de repère, d’imaginer à quoi ressembleront les rues ou les bâtiments selon différentes perspectives, d’apprendre les itinéraires et de comprendre la disposition de votre environnement.


LE RAISONNEMENT SPATIAL EST IMPORTANT À L’ÉCOLE ET AU TRAVAIL

Au-delà de son importance évidente dans la vie quotidienne, il s’avère que le raisonnement spatial est également importante pour la réussite scolaire, notamment pour les cours de mathématiques. Les personnes qui sont douées pour les tâches de raisonnement spatial obtiennent également des scores élevés aux tests de mathématiques. Le lien entre une bon raisonnement spatial et de bons résultats en mathématiques existe chez des personnes d’âges différents. Par exemple, des recherches ont montré que les enfants qui sont plus doués pour construire des éléments de construction réussissent mieux dans les tests de comptage et de nombres [1]. Pour les enfants de l’école primaire, de nombreux chercheurs ont montré que différents types de raisonnement spatial sont importants pour différentes tâches mathématiques [2]. Les enfants qui sont doués pour la mise à l’échelle spatiale sont également bons pour positionner les nombres sur une ligne de nombres, et les enfants qui sont doués pour la rotation mentale sont meilleurs pour effectuer des tâches de calcul avec des nombres manquants comme 3 + □ = 5. Pour les adultes, il est très important d’avoir de bonnes compétences spatiales pour certains emplois. Par exemple, les ingénieurs ont besoin de compétences spatiales pour visualiser la structure d’un pont ou d’un bâtiment, les géologues ont besoin de compétences spatiales pour pouvoir naviguer dans les paysages, les médecins ont besoin de compétences spatiales pour s’assurer qu’ils donnent des injections dans la bonne position et pour lire correctement les radiographies, et les biologistes ont besoin de compétences spatiales pour comprendre comment les aliments se déplacent dans les différentes parties de notre système digestif. Les recherches montrent que les personnes qui possèdent de bonnes compétences spatiales à l’adolescence sont plus susceptibles d’avoir un emploi dans les domaines des sciences, de la technologie, de l’ingénierie et des mathématiques à l’âge adulte.


QUE FAIRE SI JE NE SUIS PAS DOUÉ POUR LES TÂCHES SPATIALES ?

La bonne nouvelle est que si vous êtes quelqu’un qui n’est pas particulièrement doué pour les activités spatiales, vous n’avez pas à vous inquiéter. Le raisonnement spatial est une compétence cognitive qui semble particulièrement bien répondre à un entraînement. De nombreuses études ont tenté d’améliorer la capacité spatiale par différents types d’entraînement cognitif. Bien que le mot « entraînement » soit souvent associé à l’exercice physique, lorsque les spécialistes de la cognition (du cerveau) utilisent le mot « entraînement », ils veulent généralement dire « pratique ». Cela signifie que l' »entraînement spatial » consiste généralement à s’entraîner à des tâches spatiales sur papier et crayon, à réaliser des jeux spatiaux sur un ordinateur ou à faire des activités spatiales comme construire des structures avec des blocs. De nombreuses études ont montré que si vous vous entraînez, votre raisonnement spatial peut être améliorée [3].

La meilleure nouvelle vient de récentes recherches qui montrent que si vous améliorez votre raisonnement spatial, vous vous améliorez également dans les tests de mathématiques. Lorsque l’entraînement à une compétence entraîne l’amélioration d’une autre, on parle de transfert. Des études sur d’autres types de raisonnement ou fonctions cognitives montrent qu’il est très difficile d’obtenir un entraînement cérébral pour le transférer à des compétences non formées. Vous pouvez vous renseigner sur d’autres types d’entraînement cérébral et savoir si ils fonctionnent ici [7]. Par conséquent, l’entraînement spatial est assez singulier et important, car il est prouvé que l’entraînement de la pensée spatiale permet de transférer à d’autres compétences, par exemple les mathématiques.

Les recherches récentes que j’ai menées ont montré que les enfants obtenaient des scores plus élevés à un test de mathématiques après avoir regardé une courte vidéo sur le raisonnement spatial [4]. D’autres chercheurs ont également montré que l’utilisation de tangrams, qui sont une sorte de puzzle, et d’autres jeux spatiaux peut améliorer les compétences en mathématiques [5]. Malheureusement, le raisonnement spatial n’est généralement pas enseignée dans les écoles. Cependant, il existe de nombreuses façons de l’introduire facilement dans votre vie à la maison et à l’école. Vous pouvez notamment utiliser davantage de diagrammes et de graphiques pour vous aider lorsque vous apprenez de nouveaux sujets à l’école, utiliser davantage de vocabulaire spatial, notamment des mots comme « ci-dessus, au-dessus, autour, à travers, parallèle, symétrique » et des gestes lorsque vous expliquez des idées difficiles à vos amis ou à vos jeunes frères et sœurs, vous entraîner à construire des choses avec des blocs, des Lego ou des puzzles, assembler des meubles ou même emballer des cadeaux. Il est également possible que certains jeux informatiques comme Minecraft (où les joueurs doivent utiliser des blocs en 3D pour construire des structures comme des maisons et des villes) ou des jeux qui demandent aux joueurs de naviguer dans des labyrinthes ou des espaces peu familiers, puissent également améliorer le raisonnement spatial.


POURQUOI LE RAISONNEMENT SPATIAL EST-IL IMPORTANT POUR LES MATHÉMATIQUES ?

En tant que chercheurs, une question à laquelle nous essayons toujours de répondre est de savoir pourquoi les compétences spatiales et mathématiques sont liées. En d’autres termes, pourquoi les personnes qui sont douées pour le raisonnement spatial sont-elles également douées pour les mathématiques ? Une possibilité est que les mêmes parties du cerveau que nous utilisons pour les tâches spatiales soient également utilisées pour les mathématiques. L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est un moyen de voir quelles parties du cerveau sont activées (mises en marche) lorsque nous effectuons des types d’activités spécifiques. Cette technique utilise un scanner qui montre quelles parties du cerveau sont actives à différents moments. Par exemple, elle peut être utilisée pour savoir quelle partie du cerveau devient active lorsque nous effectuons une activité mathématique. Les recherches montrent que certaines compétences spatiales et mathématiques reposent sur une partie similaire du cerveau, le lobe pariétal [6]. Cela signifie que les programmes d’entraînement qui nous encouragent à utiliser le raisonnement spatial pourraient renforcer les connexions entre les neurones (cellules cérébrales) dans cette partie du cerveau. Cela serait utile à la fois pour le raisonnement spatial et les mathématiques.


CONCLUSION

La prochaine fois que vous essaierez de mettre autant de vêtements que possible dans votre valise, ou que vous suivrez attentivement la carte sur votre téléphone, rappelez-vous combien vos capacités spatiales sont précieuses. Peut-être même plus que les capacités de lecture, d’écriture et de calcul, les capacités de raisonnement spatial ont un impact énorme sur la façon dont nous nous déplaçons et fonctionnons dans notre vie quotidienne. En outre, comme le souligne cet article, le fait de saisir davantage d’occasions de pratiquer notre raisonnement spatial pourrait également améliorer nos compétences en mathématiques. Faisons de l’espace pour développer notre raisonnement spatial!


Glossaire

Raisonnement spatial : Comment le cerveau traite la position et la forme de différents objets.

Mathématiques : Un sujet relatif au nombre et aux quantités.

Entraînement cognitif : Pratique ou répétition de certaines capacités de raisonnement dans le but de les améliorer.


Références

[1]  Verdine, B. N., Golinkoff, R. M., Hirsh-Pasek, K., Newcombe, N. S., Filipowicz, A. T., and Chang, A. 2014. Deconstructing building blocks: preschoolers’ spatial assembly performance relates to early mathematical skills. Child Dev. 85:1062–76. doi: 10.1111/cdev.12165

[2]  Mix, K. S., Levine, S. C., Cheng, Y.-L., Young, C., Hambrick, D. Z., Ping, R., et al. 2016. Separate but correlated: the latent structure of space and mathematics across development. J. Exp. Psychol. Gen. 145:1206–27. doi: 10.1037/xge0000182

[3]  Uttal, D. H., Meadow, N. G., Tipton, E., Hand, L. L., Alden, A. R., Warren, C., et al. 2013. The malleability of spatial skills: a meta-analysis of training studies. Psychol. Bull. 139:352–402. doi: 10.1037/a0028446

[4]  Gilligan, K. A., Thomas, M. S. C., and Farran, E. K 2019. First demonstration of effective spatial training for near-transfer to spatial performance and far-transfer to a range of mathematics skills at 8 years. Dev. Sci. e12909. doi: 10.1111/desc.12909

[5]  Cheng, Y. L., and Mix, K. S. 2014. Spatial training improves children’s mathematics ability. J. Cogn. Dev. 15:2–11. doi: 10.1080/15248372.2012.725186

[6] Hawes, Z., Moriah Sokolowski, H., Ononye, C. B., and Ansari, D. 2019. Neural underpinnings of numerical and spatial cognition: An fMRI meta-analysis of brain regions associated with symbolic number, arithmetic, and mental rotation. Neurosci. Biobehav. Rev. 103:316–33. doi: 10.1016/j.neubiorev.2019.05.007

[7]  Goffin, C., and Ansari, D. 2018. Can brain training train your brain? Using the scientific method to get the answer. Front. Young Minds 6:26. doi: 10.3389/frym.2018.00026

Citation

Gilligan K (2020) Make Space: The Importance of Spatial Thinking for Learning Mathematics. Front. Young Minds. 8:50. doi: 10.3389/frym.2020.00050

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