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N° Ordre : 229 - 2007 Année 2007

THESE DE DOCTORAT

présentée devant l"UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON 1 et l"UNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP - DAKAR pour l"obtention du DIPLOME DE DOCTORAT en CO-TUTELLE (arrêté du 6 janvier 2005) présentée et soutenue publiquement le 9 novembre 2007 Par

Cissé BA

Etude épistémologique et didactique de l"utilisation du vecteur en mathématiques et en physique - lien entre mouvement de translation et translation mathématique Spécialité : Didactique des mathématiques Directeurs de thèse : Jean-Luc DORIER/Mamadou SANGHARE

Membres du Jury

Cherif BADJI, Professeur - Université Cheikh Anta DIOP Examinateur Galaye DIA, Professeur - Université Gaston Berger Rapporteur Jean-Luc DORIER, Professeur - Université de GENEVE Directeur Marc ROGALSKI, Professeur émérite - Université LILLE 1 Rapporteur Mamadou SANGHARE, Professeur - Université Cheikh Anta DIOP Co-directeur Jacques TOUSSAINT, Professeur - IUFM - Lyon Président A la mémoire de mon père Mamadou Cissé BA dit Jom Mbeere A la mémoire de ma mère Oumou Salamata KEBE dite Bolèle A la mémoire de mon petit frère Oumar BA dit Barouyel

A la mémoire de Cheikh Ibrahima Sall

REMERCIEMENTS

Cette thèse n"aurait vu le jour sans la confiance et la générosité de Monsieur Jean-Luc

DORIER, Professeur à l"Université de Genève, que je veux vivement remercier d"avoir

accepté de diriger ce travail poursuivant ainsi l"aventure commencée au DEA. Plus qu"un encadrant ou un collègue, je crois avoir trouvé en lui un ami qui m"a aidé aussi bien dans le travail que dans la vie lorsque j"en avais besoin. Son soutien constant et ses encouragements maintes fois renouvelés, joints à un engagement fort et une disponibilité sans faille, ont permis à ce mémoire de s"élaborer au fil du temps. Diarama. Mes plus sincères remerciements vont également à Monsieur Mamadou SANGHARE,

Professeur à l"Université Cheikh Anta DIOP, pour l"intérêt qu"il porte à mon travail et à la

didactique des mathématiques et qui en agissant à titre de co-directeur a fortement

facilité mon intégration dans le cadre d"une thèse en co-tutelle entre l"Université Claude

Bernard Lyon1 et l"Université Cheikh Anta DIOP.

Je remercie vivement Monsieur Marc RAGALSKI, Professeur émérite à l"Université des

Sciences et Technologies de Lille de s"être rendu disponible en acceptant d"être rapporteur de ma thèse. Le regard critique, juste et avisé qu"il a porté sur mes travaux ne peut que m"encourager à être encore plus perspicace et engagé dans mes recherches en didactique des mathématiques. Je remercie également Monsieur Galaye DIA, Professeur à l"Université Gaston Berger de St-Louis d"avoir accepté d"être rapporteur de ce travail, ainsi que pour l"attention toute particulière qu"il lui a accordé. Je suis très sensible à l"honneur que m"a fait Jacques TOUSSAINT, Professeur à l"IUFM de Lyon, en acceptant d"être président de mon jury de thèse, je l"en remercie vivement. Je voudrais également remercier Monsieur Chérif BADJI, Professeur à l"Université Cheikh Anta DIOP, d"avoir accepté de siéger dans le jury. Je remercie tout particulièrement Madame Viviane Durand-Guerrier Professeur à l"IUFM de Lyon, Responsable du Master au LEPS /LIRDHIST

1 pour sa disponibilité, ses

encouragements et son soutien moral et matériel qui n"a jamais failli depuis le DEA jusqu"au terme de cette thèse. Mes plus chaleureux remerciements s"adressent à Madame Françoise Langlois et Monsieur Bernard Langlois pour leur sympathie ainsi qu"à tous les membres du laboratoire LEPS /LIRDHIST. Je garde un souvenir reconnaissant pour mes collègues thèsards Thomas, Caroline, Sandie et Jérémy. Je rends un vibrant hommage à titre posthume à feu Bernard TRIBOLLET ancien directeur du LIRDHIST pour m"avoir soutenu au début de cette thèse. Je remercie également Monsieur Pierre CREPEL pour sa sympathie et sa bonne humeur. J"éprouve un profond respect pour ses qualités humaines et son engagement militant pour les causes justes. Je n"oublie pas Jérôme FATET pour son soutien efficace. J"aimerais par ailleurs souligner la contribution importante réalisée par mes collègues et amis du département de mathématiques de la FASTEF

2 qui ont eu à supporter le surcroît

1 Laboratoire d"Etudes du Phénomène Scientifique/Laboratoire Interdisciplinaire de Recherche en Didactique et

en Histoire des Sciences et des Techniques.

2 Faculté des Sciences et Technologies de l"Education et de la Formation.

de travail occasionné par mes périodes de mobilité. Je les remercie de tout mon coeur pour leur soutien sans faille et pour leurs prières qui m"ont toujours accompagné. Je suis particulièrement redevable à Mamadou Bachir DIAHAM pour l"énergie qu"il a déployée pour la réussite de ce projet. Merci à Doyen THIOUNE, à Doyen BARRY, à Doyen FAYE, à

Doyen DIAHAM aux " jeunes Doyens » Mangary et Marcel, merci à Sérigne Touba, à

Moustapha et à MAlick.

Je remercie chaleureusement tous mes parents et amis qui m"ont accompagné et ont su me manifester leur intérêt pour mon travail de thèse en demandant régulièrement des

nouvelles sur son état d"avancement. Ils ont tous été là, à leur façon, pour m"encourager.

J"exprime toute ma reconnaissance à tous mes collègues qui ont répondu aux questionnaires et particulièrement à mes amis Diarga DIOUF, Moussa DIOP et Vieux NDIAYE

qui ont participé activement à la réalisation de ce travail. Je voudrais également

remercier Cheikh Mbacké DIOP directeur de l"IREMPT

3 et Mamadou Ndiaye DIA qui ont su

m"aider lorsque cela était nécessaire. J"exprime aussi toute ma gratitude à Mamour

SANKHE pour son soutien et ses encouragements maintes fois renouvelés. Mes plus sincères remerciements vont également à Déthié BA pour son soutien efficace. Je remercie très vivement L"Agence Universitaire de la Francophonie (AUF) et la région Rhône-Alpes à travers le programme MIRA pour leur soutien financier. Un message reconnaissant à mon ami Aliou KONTE qui m"a accueilli très chaleureusement à Montargis à l"occasion de la visite de feu Cheikh Ibrahima SALL (Qu"Allah l"agrée), à mon neveu Moustapha BA qui m"a toujours accueilli avec enthousiasme à Paris depuis la Gare de Lyon, et à mon jeune frère Bocar BA pour l"accueil chaleureux qu"il m"a réservé à Genève. Je remercie également Marième NDOUR et Ousmane DIOL pour leur soutien efficace lors de mes séjours à Lyon. Pour terminer, je remercie mon épouse Fatima, mes deux filles Sala et Aïcha et mon

neveu Ibrahima qui ont été soumis à rude épreuve pendant ces trois années et ont

supporté avec patience ces longs moments d"absence.

3 Institut de Recherches sur l"Enseignement des Mathématiques, de la Physique et de la Technologie.

TABLE DES MATIERESTABLE DES MATIERESTABLE DES MATIERESTABLE DES MATIERES

PARTIE I : CADRE THEORIQUE ET PROBLEMATIQUE....................................................................14

I.1RECHERCHES ANTERIEURES........................................................................................................................... 15

I.2 CADRE THEORIQUE....................................................................................................................................... 29

I.2.1 Ecologie des savoirs.............................................................................................................................. 29

I.2.2 Rapports personnels et institutionnels................................................................................................... 32

I.3 PROBLEMATIQUE, METHODOLOGIE ET PLAN COMMENTE DE LA THESE.......................................................... 36

PARTIE II : ANALYSE ECOLOGIQUE......................................................................................................40

II.1 INTRODUCTION............................................................................................................................................ 41

II.2 ASPECTS HISTORIQUES ET EPISTEMOLOGIQUES DE LA GENESE DU VECTEUR EN MATHEMATIQUES.............. 43

II.2.1 Le vecteur un concept finalement récent.............................................................................................. 43

II.3 ANALYSE DE L"EVOLUTION DE L"ENSEIGNEMENT DU VECTEUR DANS LES PROGRAMMES DE MATHS........... 53

II.3.1 Les débuts (1852 - 1925)..................................................................................................................... 53

II.3.1.1 1852 - Une première référence au mot vecteur............................................................................................ 53

II.3.1.2 La réforme de 1902 : apparition du vecteur en géométrie............................................................................ 54

II.3.1.3 1925 - Un nouvel habitat potentiel..............................................................................................................55

II.3.2 Une évolution lente (1937-1967).......................................................................................................... 56

II.3.2.1 1937-38 - L"habitat arithmétique se concrétise........................................................................................... 56

II.3.2.2 1947 - Un pont entre les deux habitats........................................................................................................ 57

II.3.2.3 1957 - Statu quo.......................................................................................................................................... 57

II.3.3 Période des mathématiques modernes (1968-1985)............................................................................. 58

II.3.3.1 La réforme ................................................................................................................................................... 58

II.3.3.2 Critique de la réforme.................................................................................................................................. 61

II.3.4 La contre réforme (de 1985 à 2006)..................................................................................................... 63

II.3.5 Conclusion............................................................................................................................................ 66

II.4 EVOLUTION DE L"USAGE DU VECTEUR DANS L"ENSEIGNEMENT DE LA PHYSIQUE......................................... 68

II.4.1 Vecteurs dans les programmes de sciences physiques de 1982-1983.................................................. 74

II.4.2 Vecteurs dans la réforme de 1992 des programmes de sciences physiques......................................... 76

II.4.3 Conclusion............................................................................................................................................ 78

II.5 CONCLUSION SUR L"ANALYSE ECOLOGIQUE................................................................................................ 79

PARTIE III : ANALYSE INSTITUTIONNELLE........................................................................................81

III.1 INTRODUCTION........................................................................................................................................... 82

III.2 ANALYSE DES PROGRAMMES DE MATHEMATIQUES.................................................................................... 84

III.2.1 Programmes de mathématiques du collège en France ....................................................................... 84

III.2.2 Programmes de mathématiques du lycée en France........................................................................... 86

III.2.3 Conclusion sur l"analyse des programmes de mathématiques en France.......................................... 89

III.2.4 Programmes de mathématiques du collège au Sénégal...................................................................... 90

III.2.5 Programmes de mathématiques du lycée au Sénégal ......................................................................... 95

III.2.6 Conclusion sur l"analyse des programmes de mathématiques au Sénégal......................................... 97

III.3 ANALYSE DE MANUELS DE MATHEMATIQUES............................................................................................. 99

III.3.1 Introduction ........................................................................................................................................ 99

III.3.1.1 Manuels de Troisième............................................................................................................................... 100

III.3.1.2 Manuels de Seconde................................................................................................................................. 101

III.3.2 Conclusion........................................................................................................................................ 112

III.4 ANALYSE DES PROGRAMMES DE PHYSIQUE.............................................................................................. 113

III.4.1 Programmes de physique du lycée en France................................................................................... 113

III.4.2 Conclusion sur l"analyse des programmes de physique en France.................................................. 116

III.4.3 Programmes de physique de 2e S au Sénégal.................................................................................... 117

III.4.3.1 Sur les mouvements et vitesses.................................................................................................................117

III.4.3.2 Sur la notion de force................................................................................................................................ 119

III.4.4 Conclusion sur l"analyse des programmes de physique au Sénégal................................................. 121

III.5 ANALYSE DE MANUELS DE PHYSIQUE....................................................................................................... 122

III.5.1 Introduction ...................................................................................................................................... 122

III.5.1.1 Analyse du manuel de la collection TOMASINO .................................................................................... 122

III.5.1.1 Analyse du manuel de la collection PARISI............................................................................................. 132

III.5.2 Conclusion sur l"analyse des manuels.............................................................................................. 142

III.6 CONCLUSION SUR L"ANALYSE INSTITUTIONNELLE................................................................................... 143

PARTIE IV : ANALYSE DES RAPPORTS PERSONNELS ....................................................................145

IV.1 ANALYSE DE DEUX QUESTIONNAIRES DESTINES AUX ENSEIGNANTS......................................................... 146

IV.1.1 Introduction....................................................................................................................................... 146

IV.1.2 Analyse a priori des questionnaires destinés aux enseignants.......................................................... 147

IV.1.2.1 Questionnaire P destiné aux enseignants de physique.............................................................................. 147

IV.1.2.2 Questionnaire M destiné aux enseignants de mathématiques................................................................... 160

IV.1.3 Analyse a posteriori des questionnaires destinés aux enseignants.................................................... 164

IV.1.3.1 Introduction.............................................................................................................................................. 164

IV.1.3.2 Analyse a posteriori du questionnaire P ................................................................................................... 164

IV.1.3.3 Analyse a posteriori du questionnaire M.................................................................................................. 196

IV.1.4 Conclusion sur le rapport personnel des professeurs....................................................................... 208

IV.2 ANALYSE DE DEUX QUESTIONNAIRES DESTINES AUX ELEVES................................................................... 210

IV.2.1 Introduction....................................................................................................................................... 210

IV.2.2 Analyse a priori des questionnaires.................................................................................................. 210

IV.2.2.1 Analyse a priori du questionnaire 1.......................................................................................................... 210

IV.2.2.2 Analyse a priori du questionnaire 2.......................................................................................................... 218

IV.2.3 Analyse a posteriori des questionnaires............................................................................................ 232

IV.2.3.1 Analyse a posteriori du questionnaire 1.................................................................................................... 232

IV.2.3.2 Analyse a posteriori du questionnaire 2.................................................................................................... 240

IV.2.4 Conclusion sur le rapport personnel des élèves................................................................................ 254

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES.....................................................................................................261

REFERENCES DE MANUELS ET PROGRAMMES................................................................................................... 268

ANNEXE 1 : QUESTIONNAIRES - PROFESSEURS................................................................................................. 270

ANNEXE 2 : QUESTIONNAIRES - ELEVES.......................................................................................................... 281

ANNEXE 3 : TABLEAUX DE RECUEIL DES REPONSES DES PROFESSEURS............................................................ 286

ANNEXE 4 : QUELQUES REPONSES.................................................................................................................... 316

INTRODUCTION GENERALE

Introduction générale

9

Introduction

L"objet de ce travail est une étude épistémologique et didactique sur les liens entre

mathématiques et physique à propos des concepts de vecteur et de translation d"une part et de grandeurs physiques vectorielles et de mouvement de translation d"autre part. L"interaction entre les mathématiques et les autres sciences est un sujet riche qui se décline sous divers aspects selon le contexte et les époques. Pour ce qui concerne l"enseignement,

c"est un point qui est au coeur des réformes curriculaires récentes. Néanmoins, la réalisation

dans les classes semble plus problématique. Concernant les activités interdisciplinaires faisant

intervenir les mathématiques, Legrand (2004) souligne une dualité, en distinguant :

- Celles où un savoir mathématique que l"on connaît déjà permet d"explorer et mieux

comprendre un aspect du monde qu"on ignore, et à l"inverse - celles où la force significative des situations de vie ordinaire permet de donner sens et de faire parler des entités mathématiques complexes qu"on ne connaît pas encore et dont le

côté nécessairement très abstrait ou technique risque de se dresser comme une barrière au

sens et à la consistance si on les aborde d"entrée de jeu exclusivement par les mathématiques. (Legrand, 17) Si on s"intéresse aux liens entre les mathématiques et la physique, une des notions les plus

élémentaires, où l"interaction semble possible et d"ailleurs préconisée par les programmes

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