Study of the Teacher's Work on Simulation in the Third and Second Grade : Metamorphoses of a Problem during a Probability Training
Etude du travail de l'enseignant autour de la simulation en classe de troisième et seconde : métamorphoses d'un problème au fil d'une formation en probabilité
Résumé
The thesis focuses on teacher's work around probability simulation in grades 9 and 10 in France. We explored how mathematics teachers take on a task crossed during a training session. Our research builds on this task (the hare and turtle problem) to answer our questions about the links between random experiments and models, the place of artefacts and the proofs' nature using simulation. To make our study, we adopted the theory of Mathematical Work Spaces (MWS, Kuzniak, 2011), as well as complementary elements such as the modeling cycle of Blum & Leiss (2009). We introduced the notion of avatar to account for transformations of the task in order to follow the trajectory of successive avatars. Our specific research methodology is based on three loops, and the second one includes short continuing training course. The first loop contains the elaboration of the training with a first implementation of the problem by trainers in their class. The second loop, consisting of three stages, is the training proper. A first scenario is developed by a group of trainees following a analysis a priori of the problem. It is followed by the implementation of the task by one of the trainees in a class lent by the trainers and observed by the other participants of the course. Finally, the collective develops, a posteriori, a new avatar redesigned with regard to the analysis of the previous avatar and its implementation. The third loop includes the avatars tested by the trainees in their own class after the training.Referring to a well-defined MWS expected for the research, it lets us identify the transformations made during and after the training and relates to the cognitive routes around the problem of the hare and the turtle. The study of these three successive loops reveals the existence of breaks between random experience and mathematical models during the resolution of this problem. These breaks are due to both the numerical artefact chosen for the simulation (the spreadsheet or the Scratch software) and to the teacher's work. Through a comparison of teacher and student-led MWS plans in the model of MWS, we were able to identify a tendency for teachers to standardize the choice of model for this problem. In addition, some phases of the MWS expected defined for the research (such as the explicitness around the random experiments in play, the justification of the introduction of the simulation or the proof by the calculations of probabilities) are little represented or absent in the cognitive routes planned and borrowed in these three loops. This reflects a difficulty of articulation between probabilities and statistics around simulation in the teacher. In one case, the second loop showed a thickening of the instrumental dimension relative to the teacher's work and to the chosen digital artefacts. She also highlighted different ways of managing groups of students, transforming the initial avatar and the flow of work in the appropriate MWS. The various cognitive routes that we observed at the end of the training allowed us to identify the effects of the training and in particular the simplifying denaturations (Kuzniak, 1995) made by the teacher on the avatar or the suitable MWS.
La thèse porte sur le travail des enseignants autour de la simulation en probabilité en classe de troisième et seconde. Nous avons exploré la manière dont les enseignants de mathématiques, s'emparent d'une tâche qui leur a été présentée lors d'une formation. Notre recherche prend appui sur cette tâche (le problème du lièvre et de la tortue) pour répondre à nos questions sur les liens entre expériences aléatoires et modèles, sur la place des artefacts et sur la nature des preuves utilisant une simulation. Pour mener notre étude, nous avons adopté la théorie des Espaces de Travail Mathématique (Kuzniak, 2011), ainsi que des éléments complémentaires tels que le cycle de modélisation de Blum & Leiss (2009). Nous avons introduit la notion d'avatar pour rendre compte des transformations de la tâche afin de suivre la trajectoire d'avatars successifs. Notre méthodologie de recherche spécifique est composée de trois boucles dont l'une inclut une formation continue courte. La première boucle est concernée par la préparation de la formation avec notamment une première implémentation du problème par des formateurs dans leur classe. La deuxième boucle, constituée de trois étapes, est celle de la formation proprement dite. Un premier scénario est élaboré par un collectif de stagiaires à la suite d'un travail d'analyse a priori du problème. Il est suivi de la mise en œuvre de la tâche par l'un des stagiaires dans une classe prêtée par les formateurs et observée par les autres participants du stage. Enfin le collectif élabore, a posteriori, un nouvel avatar repensé au regard de l'analyse de l'avatar précédent et de sa mise en œuvre. La troisième boucle comporte les avatars testés par les stagiaires dans leur propre classe après la formation. En se référant à un ETM idoine attendu défini pour la recherche, il s'agit de repérer les transformations opérées pendant et après la formation et portant sur les itinéraires cognitifs autour du problème du lièvre et de la tortue. L'étude de ces trois boucles successives a permis de révéler l'existence de ruptures entre expérience aléatoire et modèles mathématiques lors de la résolution de ce problème. Ces ruptures sont dues à la fois à l'artefact numérique choisi pour la simulation (le tableur ou le logiciel Scratch) et au travail de l'enseignant. Grâce à un rapprochement des plans de l'ETM privilégiés par l'enseignant et les élèves dans la circulation du travail, nous avons pu repérer une tendance des enseignants à uniformiser le choix du modèle ou le type de preuve pour ce problème. De plus, certaines phases de l'ETM idoine attendu défini pour la recherche (comme l'explicitation autour des expériences aléatoires en jeu, la justification de l'introduction de la simulation ou la preuve par les calculs de probabilités) sont peu représentées ou absentes dans les itinéraires cognitifs prévus et empruntés dans ces trois boucles. Ceci traduit une difficulté d'articulation entre probabilités et statistique autour de la simulation chez l'enseignant. Dans un cas, la deuxième boucle a montré un épaississement de la dimension instrumentale relatif au travail de l'enseignant et aux artefacts numériques choisis. Elle a aussi mis en évidence différents modes de gestion des groupes d'élèves, transformant l'avatar initial et la circulation du travail dans l'ETM idoine. Les divers itinéraires cognitifs que nous avons pu observer à l'issue de la formation nous ont permis d'identifier des effets de la formation et notamment des dénaturations simplificatrices (Kuzniak, 1995) opérées par l'enseignant sur l'avatar ou l'ETM idoine associé.
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