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Informer et accompagner
les professionnels de léducation CYCLES 2 3 4
MATHÉMATIQUES
Nombres et calculs
Puissances
Objectifs
La notion de puissance nintervient pas au cycle 3. Il revient donc au cycle 4 dintroduire cette
cinquième opération. Lobjectif est dabord, à partir de situations numériques qui la motivent,
damener la notation exponentielle comme un raccourci décriture, puis de familiariser lélève
à sa compréhension et à son usage. Lélève peut découvrir les opérations sur les puissances
au gré des calculs, à partir des écritures développées qui en donnent une image mentale. Ces
propriétés peuvent être mises en évidence par le professeur, sur des exemples génériques,
mais leur formalisation nest pas un attendu de fin de cycle. Exemple : pour le calcul de 38 × 32,
il convient dinstaller limage mentale des facteurs (huit facteurs 3 dune part, deux de lautre)
pour visualiser le résultat sous forme de dix facteurs 3. Lapprentissage sur les puissances
se construit sur le sens, à partir de situations issues des mathématiques ou des domaines
scientifiques et technologiques. La calculatrice et le tableur, ainsi que les algorithmes de
calcul, enrichissent la compréhension tout en facilitant les calculs. Les activités mentales,
fréquentes et régulières, permettent à lélève de construire des automatismes.
Liens avec les domaines du socle
La notation dune multiplication itérée sous forme de puissance permet deffectuer de manière
efficace certains calculs en utilisant un langage mathématique adapté (domaine 1). Il en est de
même de la notation scientifique.
Par ailleurs, les puissances constituent un outil de modélisation permettant de résoudre
des problèmes qui relèvent notamment des systèmes naturels et des systèmes techniques
(domaine 4). Les puissances de dix fournissent une interprétation commode des ordres de
grandeur.
Progressivité des apprentissages
Le cas des puissances de dix dexposant entier naturel, prenant appui sur lécriture décimale
déjà envisagée au cycle 3, fait lobjet dune étude en soi dès la classe de 4e, en liaison avec les
problèmes scientifiques ou technologiques. Les exposants négatifs dune puissance de dix
sont introduits avec progressivité, en fin de 4e ou en début de 3e. La définition des exposants
1 et 0, ainsi que celle des exposants négatifs, sont amenées avec précaution, par exemple en
examinant pour le nombre 10n (n ≥ 2) leffet sur lexposant de divisions successives par 10.
Pour une base quelconque, les exposants positifs sont envisagés en classe de 4e ou de 3e,
en fonction de la progression retenue. La notation an peut être introduite avec les exposants
2 et 3 comme un raccourci décriture exprimant par exemple laire dun carré ou le volume
dun cube ; pour n entier relatif quelconque, on peut lamener si elle prend sens à travers une
situation donnée, mais sa maîtrise nest pas un objectif du collège.
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CYCLE 4 I MATHÉMATIQUES I Nombres et calculs
Stratégies denseignement
Du cas particulier des puissances de dix au cas général
Le programme du cycle 4 autorise soit dinitier un travail spécifique sur les puissances de dix,
et de le prolonger aux puissances de base quelconque, soit dadopter la démarche inverse,
qui consiste à passer du cas général au cas particulier. La première démarche est toutefois
recommandée, car elle respecte davantage la possibilité dinstaurer une progression de cycle
différenciée. Avec cette démarche la notation an, pour un nombre a quelconque et n entier
naturel, peut être amenée soit en fin de 4e soit en 3e. Dautre part, il est important que lélève
soit familiarisé au plus tôt avec les puissances de dix afin dêtre mieux préparé à leur usage
dans les sciences appliquées et la technologie.
Introduire les puissances de dix
La notation 10… nest à aucun moment mentionnée dans le programme du cycle 3. Il est
cependant possible que des élèves laient côtoyée avant le cycle 4, avec lidée reçue selon
laquelle lexposant, quil soit positif ou négatif, est lié au nombre de zéros dans lécriture
décimale. Cette conception peut savérer utile dans la manipulation des puissances de dix en
écriture décimale, mais elle présente deux inconvénients :
lun est dordre mathématique, car le nombre « dix puissance n » doit être défini de façon
intrinsèque, cest-à-dire sans référence à une base décriture ;
lautre est didactique, car le fait de définir une puissance de dix en fonction du nombre de
zéros peut occasionner un obstacle important dans la compréhension des puissances dun
autre nombre.
Il est donc préférable de définir une puissance de dix dexposant supérieur ou égal à deux
à partir du produit itéré, quitte à remarquer par la suite le lien avec le nombre de zéros de
lécriture décimale.
Construire lapprentissage sur le sens des notions
Lapprentissage sur les puissances doit profitablement se fonder sur des situations qui la
motivent. Celui des puissances de dix peut prendre appui sur des grands nombres issus de
domaines scientifiques ou technologiques tels que lastronomie, les sciences physiques,
linformatique, le traitement de linformation, pour ce qui est des exposants positifs.
Les sciences de latome, la microbiologie, les sciences chimiques, les nanotechnologies
fournissent des situations propices à côtoyer les exposants négatifs. Le thème « Organisation
et transformations de la matière » du programme de physique-chimie se prête bien à une
articulation avec les mathématiques. Lapprentissage des puissances de base quelconque peut
être motivé par des situations mathématiques mettant en œuvre un produit itéré, comme le
comptage de situations répétitives, ou lobservation de situations fractales dans la nature, les
arts visuels, etc. Ces situations doivent motiver les apprentissages, mais aussi les nourrir en
permanence à travers des problèmes porteurs de sens.
Notation scientifique, ordre de grandeur
Tout nombre décimal non nul peut se noter sous la forme A × 10n, où A est un nombre déci-
mal vérifiant 1 ≤ A < 10 et n est un entier relatif. Cette écriture est la notation scientifique du
décimal, quil convient dintroduire sur des exemples numériques. Elle peut être rattachée à
ses nombreuses utilisations en physique-chimie, dans le domaine du calcul de grandeurs et
celui des conversions dunités.
Lélève doit apprendre à utiliser la syntaxe de sa calculatrice relativement à la notation
scientifique, pour la lecture et pour lécriture.
La notion dordre de grandeur peut être rattachée à la valeur de lexposant n dans la nota-
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CYCLE 4 I MATHÉMATIQUES I Nombres et calculs
tion scientifique. Sagissant de certaines grandeurs, cette notion donne loccasion détablir
un lien avec les préfixes des unités multiples mentionnées dans le programme (kilo = 103,
méga, giga, ou milli, micro, nano), ou peut-être dautres (téra, pico …) sils interviennent
dans une situation donnée.
Introduction des exposants 0 et 1, des puissances négatives
La définition des exposants 0 et 1, de même que celle des exposants négatifs, demandent
certaines précautions car il ne sagit plus de produits itérés. Pour en faire accepter les
définitions, une possibilité consiste à faire observer sur un exemple numérique le fait que,
pour une puissance dexposant positif, une division par la base revient à diminuer lexposant
dune unité :
NOMBRE ÉCRITURE DÉVELOPPÉE EXPOSANT
104 10×10×10×10 4
÷10
103 10×10×10 3
÷10
102 10×10 2
En saffranchissant de lécriture développée, il est acceptable et même intéressant de
poursuivre la décrémentation de lexposant par des divisions successives. Cela permet de
définir successivement :
; etc.
Le développement précédent est un exemple générique au sens suivant : le procédé conduit
avec le nombre 10 serait analogue en substituant au nombre 10 une base a quelconque (a ≠ 0).
On pourra établir le lien entre la notation des puissances et les unités utilisées en physique-
chimie ou dans le thème grandeurs et mesures, telles que vitesse, volume, concentration,
masse volumique, débit, etc. : m.s-1, m3, kg.m-3, l.s-1, etc.
Utilisation des outils numériques et de lalgorithmique
Les calculatrices et logiciels ont une syntaxe permettant le calcul des puissances. Lélève doit
dans un premier temps se familiariser avec celle-ci. Un algorithme itératif de calcul peut être
intéressant à mettre en œuvre :
• avec un tableur, pour dresser la liste de puissances successives dun même nombre ;
• avec le logiciel Scratch, qui ne possède pas la touche dexposant.
Par ailleurs, certaines situations font intervenir des multiplications itérées et, de ce fait,
se prêtent bien à une activité algorithmique.
Exemple : la croissance dune population de bactéries (voir dans les exemples de tâche
intermédiaire).
Différenciation
Sur le thème des puissances, la différenciation peut sexercer à travers plusieurs pistes.
Elle relève dabord de lécriture exponentielle, qui peut demeurer au stade numérique pour
les élèves nayant pas la maturité suffisante pour comprendre une définition littérale. Cela
nempêche pas de leur proposer des situations qui se modélisent par des itérations de
multiplications. La différenciation peut également sexercer dans la formalisation de certaines
propriétés calculatoires, telle que 34 × 35 = 34+5, quil nest pas interdit de souligner dès lors
que lélève a lui-même remarqué ces propriétés à partir dune pratique visuelle des produits
développés, et sans pour autant que ces propriétés soient exigibles.
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CYCLE 4 I MATHÉMATIQUES I Nombres et calculs
Exemples de situations dapprentissage
Classes de problèmes
• problèmes de nature scientifique et technologique ;
• calculs dordres de grandeur ;
• infiniment grand et infiniment petit ;
• multiples et sous-multiples de grandeurs usuelles ;
• situations multiplicatives simples de dénombrement ;
• situations fractales en géométrie.
Exemples dactivités
• Exemples de questions flash
• Exemples de tâches intermédiaires :
--Curiosités numériques
--Nombres de Mersenne et nombres parfaits
--Croissance dune population de bactéries
--Multiples de loctet
--Dilution en homéopathie
• Exemples dactivités avec prise dinitiative :
--Tous cousins
--Larbre fractal
Interdisciplinarité
La notion de puissance se prête bien à des activités interdisciplinaires et trouve toute sa place
dans le cadre des EPI (enseignements pratiques interdisciplinaire). Par exemple :
Dans la thématique « Corps, santé, bien-être et sécurité » : les unités CH en homéopathie ;
• Dans la thématique « Culture et création artistiques » : les fractales ;
Dans la thématique « Information, communication et citoyenneté » : le stockage de données
numériques sur un support (disque dur, clé USB, …), la transmission dinformation ;
Dans la thématique « Sciences, technologie et société » : linfiniment grand et linfiniment
petit, la rapidité des processeurs ;
Dans lenseignement « Monde économique et professionnel » : la modélisation plane pour
traiter certains problèmes liés au monde économique et professionnel.
Ressources complémentaires
La ressource proposée ci-après constitue un complément et un approfondissement utiles pour
aborder la notion de puissance avec les élèves :
Laure Guérin, La démarche dinvestigation à travers un parcours détude et de recherche,
exemple des puissances en classe de 4e, IREM de Clermont-Ferrand.
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