dimanche 27 mai 2018

Pourquoi la mémoire de travail est d'une importance centrale ? Comparaison entre l'approche par la découverte et l'enseignement explicite !

Nous avons précédemment abordé la question du guidage lors de l’enseignement sous l’angle de la mémoire à long terme et de la mémoire à court terme. L’idée est ici de s’intéresser aux caractéristiques propres à la mémoire de travail.


(Photographie : Micah Cash


Qu’est-ce que la mémoire de travail ?


Si la mémoire à court terme correspond à la capacité de se souvenir ou de reconnaître un nombre réduit d’informations après une courte période (de l’ordre de quelques secondes), la mémoire de travail inclut également la notion de manipulation de ces mêmes informations, nécessaire à l’exécution de tâches cognitives complexes.

La mémoire de travail est la structure cognitive dans laquelle se produit le traitement conscient. Il s'agit d'un espace mental à capacité limitée et ancré dans le moment présent.

Elle est impliquée dans la compréhension du langage, la résolution de problèmes, la réalisation de tâches de complexité variable, l’acquisition de nouvelles connaissances ainsi que le traitement des images et de l’espace.

S'y déroulent des opérations mentales telles que le raisonnement, l’inférence, la prise de décision, etc.

Cet espace permet la réalisation de deux activités en interaction permanente :
  1. Le maintien actif : cette activité implique de contrôler le contenu des informations présentes à l'esprit. Elle implique notamment de bloquer l'accès aux informations non pertinentes en rapport avec la tâche en cours. Elle a un rôle de résistance à la distraction.
  2. Le traitement des informations : cette activité implique différentes opérations cognitives servant à manipuler, mettre en relation, transformer les informations présentes à l'esprit



La question de la capacité

La mémoire de travail est sévèrement limitée par rapport à la quantité d’informations qu’elle peut encoder, maintenir et rappeler. Deux éléments sont à prendre en considération en termes de capacités pour la mémoire de travail :


1. Le nombre d’éléments qui peuvent être mémorisés est estimé à quatre en moyenne, ce qui est une caractéristique de la mémoire à court terme. Comment l'expliquer ce faible nombre ? :
  • Alors que l'empan mnésique de la mémoire à court terme (le nombre d'unités d'informations pouvant être maintenues en mémoire) serait de 7 +/2 unités d'informations, l'empan mnésique de la mémoire de travail a été estimé à 4 +/1 unités d'informations dans le modèle de Cowan.
  • Cet écart tiendrait à la possibilité de créer ou non des chunks d'information, c'est-à-dire des groupements d'unités d'informations en une seule unité d'information. En l'absence de possibilité de chunking (voir article), l'empan mnésique avoisinerait les 4 unités d'information.  

2. La limite des processus de traitement de l’information. Il semblerait qu’une seule intention effective d'exécuter une tâche puisse être activée à un moment donné. Si l’on prend l’exemple d’un problème arithmétique chaque étape de calcul est successive et isolée. Il est malaisé de les combiner et cette capacité est plutôt reliée à une forme d’expertise. De même il est impossible de faire deux opérations distinctes en même temps, le cerveau n’étant pas multitâche.


Quelles sont les raisons de ces limites ? Plusieurs hypothèses permettent d’expliquer cette capacité restreinte :

  1. Les représentations maintenues en mémoire de travail pourraient interférer les unes avec les autres. Si davantage d’éléments devaient être maintenus, des interférences pourraient se produire et brouiller la cohérence des représentations.
  2. Les ressources cognitives nécessaires pour maintenir les représentations actives pourraient être limitées. Il est possible que les représentations mnésiques se dégradent au cours du temps (au bout de quelques secondes) à moins qu’elles ne soient rafraîchies par un processus de répétition. Or le débit de répétition peut être limité, d’où une limitation du nombre d’éléments qu’il est possible d'y maintenir.

Le fait de placer l’élève en projet face à une situation problème, comme préconisé par l’approche socioconstructiviste, se heurte radicalement aux limitations de capacité de la mémoire de travail.
  1. L’élève moyen aura des difficultés bien réelles à discriminer les faits secondaires des faits importants. Il risque donc de saturer les capacités de sa mémoire de travail pour une part d’éléments peu pertinents, en négligeant d’autres indispensables.
  2. Cet effet de saturation semble fragiliser aussi la cohérence et le flou de ses représentations amenant au sentiment classique de « ne rien comprendre » qui incite bien rapidement à l’abandon. Il a une maîtrise encore fragile des nouveaux concepts et leur traitement est plus lent ce qui peut mener à un oubli plus rapide.
  3. N’ayant pas toutes les bonnes informations en mémoire, le processus d’exécution de tâches complexes devient dès lors illusoire. D’autant plus que des erreurs de traitement des interventions peuvent se dérouler ce qui ajoute du déséquilibre.

Le modèle socioconstructiviste pourrait rebondir en avançant la possibilité d’un étayage de la part de l’enseignant qui pourrait mener à une sortie nécessaire de l’impasse avec une bonne gestion de la zone proximale de développement. Mais là on va se heurter à la charge mentale de l’enseignant lui-même qui ne peut être entièrement disponible pour chaque élève.
A l’opposé, dans l’enseignement explicite, on avance le principe d’une pratique guidée avec un haut-parleur sur la pensée de l’enseignant, qui rend transparentes et logiques pour tous les élèves, les stratégies et procédures de détection des éléments pertinents.

Ceci arme l’élève d’outils, adaptés au contexte particulier et au moment donné, qui lui permettent une sélection plus judicieuse des éléments à placer en mémoire de travail, ce qui ouvre la porte à un traitement cognitif de l’information immédiatement plus efficace d’autant que les procédures activées seront elles-mêmes explicitées.

D’une certaine manière, l’enseignant explicité fournit un étayage préventif à l’échelle de la classe. Ceci permet une économie structurelle du nombre d’interventions. Plutôt que de suivre la progression de chaque élève séparément, un guidage préventif donne des clés pour réduire le nombre de fourvoiements, ce qui offre bien plus de temps pour un suivi des élèves qui ont des difficultés spécifiques et bien plus de temps pour l’entrainement de tous les élèves. L’élève bénéficiant d’un enseignement explicite passera toujours plus de temps à pratiquer et à consolider en mémoire à long terme les bonnes méthodes et les bons concepts.




Le modèle de Baddeley et Hitch


En 1974, Baddeley et Hitch ont proposé un modèle de la mémoire de travail composé de plusieurs sous-systèmes :



(source : François Maquestiaux, Psychologie de l'attention, Deboeck, p 169, 2017)





(source : Rossi, J.-P. (2005). Psychologie de la mémoire : de la mémoire épisodique à la mémoire sémantique. Bruxelles: De Boeck.)

Ce modèle comprend des systèmes temporaires de stockage d'informations a des mécanismes associés. Ces mécanismes sont notamment dédiés à la répétition des informations.

Le modèle de Baddeley et Hitch comprend trois composants :


  • Deux sous-systèmes distincts de mémoire temporaire
    • La boucle phonologique
    • Le calepin visuo-spatial
  • Un système attentionnel : les deux sous-systèmes sont sous le contrôle du système attentionnel, véritable superviseur de leurs activités et souvent désigné sous l'appellation de contrôleur central, contrôleur exécutif ou administrateur central.


La boucle phonologique ou (boucle articulatoire)


  1. C'est l'espace mental au sein duquel les informations verbales (ou phonologiques) sont maintenues actives et traitées. Un système de la mémoire de travail spécialisé dans le stockage et le traitement des informations verbales et symboliques : mots, chiffres, lettres, syllabes, etc.
  2. Les informations verbales sont codées sous un format rendant compte de leurs sonorités. Ce type de codage a une influence sur la taille de l'empan mnésique. Ainsi, l'empan mnésique d'une liste de mots phonologiquement similaires (par exemple : mousse, tasse, masse, dix, place, messe, basse) est inférieur à celui d'une liste de mots phonologiquement dissimilaires (par exemple : mare, noix, pub, tuile, sac, herbe, lampe, bois).
  3. Elle est impliquée dans la lecture, l’écriture, la compréhension orale et dans le calcul mental. Elle gère le langage intérieur. Il agit sur la reconnaissance des mots (leur image), mais aussi par l’activation de leurs sens.
  4. Elle est composée de deux sous-systèmes :
    1. Un "entrepôt phonologique" qui sert de mémoire verbale à court terme.
    2. Un système de répétition chargé de répéter mentalement le contenu de l’entrepôt phonologique afin d’en prévenir le déclin. Ce système permet par exemple de maintenir en mémoire un numéro de téléphone tant qu’il est répété.



Le calepin visuo-spatial


  1. Portion de la mémoire de travail chargée de mémoriser et de traiter des images ou des stimuli visuels.
  2. Les informations spatiales sont codées sous un format rendant compte de leurs propriétés spatiales. Il peut mémoriser jusqu’à quatre informations de différents types : couleur, forme, vitesse et position d’un objet perçu par le système visuel. Il constitue donc un système de codage et de manipulation à la fois des formes visuelles et des images mentales ainsi que de la référence spatiale des objets.
  3. Il permet la rotation mentale, l’exploration de l’image mentale, le codage ou recodage spatial. Il joue ainsi un rôle dans toute activité cognitive consistant à manipuler des images mentales de nature visuelle. Cela est par exemple le cas si l'on demande à un individu d'imaginer un arbre, de regarder l'image mentale de l'arbre vu du dessus, vu du dessous. C'est ce qu'on active également quand quelqu'un nous demande le chemin pour se rendre quelque part.




L’administrateur central (ou contrôleur exécutif)


Aussi appelé contrôleur exécutif ("central executive" en anglais), ce sous-système correspond au mécanisme attentionnel de contrôle et de coordination des deux sous-systèmes précédents (les systèmes "esclaves").

Il intègre les informations issues des deux sous-systèmes et les met en relation avec les connaissances conservées en mémoire à long terme. Il dirige l’attention vers l’information pertinente, inhibe l’information non pertinente et les actions inappropriées et coordonne les processus cognitifs.

L’administrateur central exerce quatre fonctions:

1. Il coordonne les opérations nécessaires à l’exécution d’une tâche ou de plusieurs tâches simultanées. Cette coordination comprend la gestion de l’attention portée aux tâches verbales et visuo-spatiales et la gestion des priorités. Il décide lequel ou lesquels des éléments, parmi la boucle phonologique, la mémoire tampon et le calepin visuo-spatial, doivent intervenir.


2. Il permet aussi l'automaticité, par exemple, on peut marcher ou conduire en parlant car ces tâches de déplacement sont automatisées. Il doit également rompre les automatismes, c'est-à-dire les inhiber au profit de la réalisation de la tâche demandée.

3. Il doit sélectionner les informations qui doivent être traitées, activées ou inhibées. La définition de la pertinence des informations est un enjeu dans de nombreuses tâches. Les stimuli doivent être triés, les connaissances en mémoire à long terme doivent être activées si nécessaire en fonction du stimulus, et dans le même temps les autres informations et activités doivent être inhibées.

4. Il doit gérer les connaissances et le fonctionnement de la mémoire à long terme. Il recherche et active les procédures, les connaissances et les règles qui sont nécessaires pour effectuer une tâche mais aussi il les maintient en activité et les manipule ce qui est crucial dans l’acquisition de nouvelles connaissances.






La mémoire tampon (ou buffer) épisodique

Ce quatrième composant a été ajouté ultérieurement au modèle. C’est au niveau de ce tampon que l’administrateur central peut regrouper les informations issues des sous-systèmes et de la mémoire à long terme. Il stocke l’information temporairement pendant la durée de réalisation de la tâche.

C'est un système de stockage temporaire situé entre les composants de la mémoire de travail (boucle phonologique et calepin visuo spatial).

Ce système sert aussi à faire le lien entre la mémoire de travail et la perception d'une part, et la mémoire de travail et la mémoire à long terme d'autre part. La mémoire tampon épisodique pourrait maintenir des représentations codées sous des formes multiples, à la fois verbales et visuo-spatiales par exemple.

Le modèle de Baddeley propose un « administrateur central » et on perçoit à la lecture de ses actions qu’il est un élément particulièrement central de l’apprentissage.

Si on met ce sous-système de la mémoire de travail en relation avec le paradigme constructiviste de l’élève construisant ses propres savoirs, des incompatibilités sont évidentes.

Il apparaît assez évident qu’il est difficile de pouvoir considérer que l’élève pilotant son propre apprentissage puisse être aussi efficace que l’élève guidé par un enseignant. Combien d’impasses, combien de sorties de route conceptuelles de l’élève face à une pédagogie constructiviste avant de « construire » le sens qui se dérobe à lui ?

Son administrateur central ne peut que fonctionner en rapport avec les connaissances déjà acquises et si cela implique un changement de modèle de connaissance, il est assez évident que la construction des apprentissages peut s’accompagner d’incertitudes et de troubles.

De la même manière, l’enseignement par petits pas promu par la démarche explicite est un réel accompagnement de cet administrateur central qui permet d’offrir une grande clarté sur les limites de certaines connaissances précédentes et sur la nécessité de liens et d’ajustements rendus nécessaires par les nouveaux apprentissages. Il y a une réelle prise en compte de ses spécificités.
Le parcours que suivent les élèves en math dans le secondaire implique de multiples ajustements au fur et à mesure que l’on introduit les fonctions du premier degré puis celles du second degré avant d’élargir aux fonctions usuelles et par la suite aux notions de dérivées et d’intégrales. L’acquisition d’une bonne vision d’ensemble de la matière demande un pilotage fin de la part des enseignants, avec de multiples retours et questionnements des élèves, afin d’assurer une consolidation et un affinage des connaissances.

Sans cela des zones de flou et de confusion, qui fragilisent les apprentissages, sont amplifiées.

Quand on prend en considération l’existence de cet administrateur central de la mémoire de travail, cela permet d’avoir une grille de lecture des difficultés des élèves qui montre qu’un enseignement explicite lié à d’autres approches efficaces comme l’espacement, l’élaboration, l’entremêlement ou les pratiques de récupération, est infiniment précieux.






La question de l’accès à la mémoire à long terme


La mémoire de travail peut tirer profit des informations stockées en mémoire à long terme.



Le modèle de Cowan


Selon Cowan, la mémoire de travail ne représente que la partie activée de la mémoire à long terme. Autrement dit, les représentations en mémoire de travail sont un sous-ensemble des représentations en mémoire à long terme.



(source : François Maquestiaux, Psychologie de l'attention, Deboeck, p 173, 2017)

Le focus attentionnel correspond au traitement d'un sous-ensemble de la partie des représentations temporairement activées en mémoire de travail.
Il existe donc deux niveaux imbriqués :

1) Le premier niveau correspond aux représentations activées en mémoire à long terme. Elles peuvent être très nombreuses car la capacité de la mémoire à long terme n’est pas limitée :

  • Les limites de la mémoire de travail ne s'appliquent qu'aux nouvelles informations qui doivent encore être apprises et qui n'ont pas été stockées dans la mémoire à long terme. Il n'y a pas de limites connues à la quantité de ces informations qui peuvent être stockées dans la mémoire de travail à partir de la mémoire à long terme.
  • L’information peut être ramenée d'une mémoire à long terme à la mémoire de travail sur des périodes indéfinies, les limites temporelles de la mémoire de travail deviennent sans importance.
Cette modification des caractéristiques de la mémoire de travail lors du traitement de matériaux familiers par opposition à des matériaux non familiers a incité d’autres chercheurs (Ericsson et Kintsch en 1995) à proposer une structure séparée, la mémoire de travail à long terme, pour traiter des informations bien apprises et automatisées.

Ils la définissent comme un ensemble de "structures de récupération" dans la mémoire à long terme qui permettent un accès transparent à l'information pertinente pour les tâches quotidiennes. De cette façon, des parties de la mémoire à long terme fonctionnent efficacement comme mémoire de travail.


2) Le second niveau correspond à la partie la plus activée, le "focus attentionnel", qui, lui, a une capacité limitée : il peut contenir quatre représentations tout au plus. Le focus attentionnel correspond au traitement d'un sous-ensemble de la partie des représentations temporairement activées.

L’approche socioconstructiviste ne semble pas prendre en compte les limites de la mémoire de travail lorsqu'il s'agit d'informations nouvelles, ni le fait de la disparition de ces limites lorsqu'il s'agit d'une information familière. L’importance de la mémoire de travail est non seulement négligée mais les recommandations d’un guidage minimal des élèves durant l’enseignement constituent un frein réel au fonctionnement de celle-ci.

Malgré son importance pour la récupération et l’encodage d’information en mémoire à long terme, la mémoire de travail est mise en difficulté et saturée par l’approche de la découverte. On peut en déduire qu’il s’agit d’une raison primaire de son manque d’efficacité maintes fois mis en évidence par la recherche en éducation.

A l’opposé, l’enseignement explicite et son approche progressive par petits pas semble conçu comme une optimisation des ressources de la mémoire de travail. De même, les pratiques de questionnement et de pratique guidée permettent à l’enseignant de monitorer en continu l’apprentissage des élèves et lui permettent d’éviter un biais cognitif lié à ses propres capacités. En effet bénéficiant des larges capacités de sa mémoire à long terme concernant les matières enseignées, l’enseignant n’a pas de limitation sur sa mémoire de travail et pourrait négliger celles ressenties par ses élèves.





L’importance de l’attention


Le modèle d’Oberauer


Il est possible de maintenir en mémoire quatre chiffres en même temps dans le "focus attentionnel" tel que défini par Cowan.

Cependant, si l’on souhaite effectuer une opération sur chacun de ces chiffres, par exemple leur ajouter deux, il est nécessaire de traiter séparément chaque chiffre.

Oberauer a étendu le modèle de Cowan en ajoutant un troisième composant, un focus attentionnel plus étroit qui ne peut contenir qu’un seul élément à la fois.

Le composant attentionnel d’Oberauer sélectionne l’un des chiffres pour l’opération puis déplace le "focus attentionnel" au chiffre suivant, jusqu’à ce que l’ensemble des chiffres aient été traités.

Pour Oberauer, la mémoire de travail est un système attentionnel, un mécanisme ou un processus qui donne la priorité à un sous-ensemble de représentations par rapport à d’autres, donnant ainsi aux représentations sélectionnées une influence plus importante sur les processus cognitifs à venir.

Le concept d’un focus attentionnel étroit tend à montrer toute l’importance du guidage. Ses performances dépendent grandement des informations déjà stockées en mémoire de travail et par définition, lors d’une phase d’apprentissage elle sont naturellement absentes chez l’élève mais présentes chez l’enseignant.

Oberauer est également l’un des premiers à distinguer :
  • La mémoire de travail déclarative : mémoire de travail pour penser
  • La mémoire de travail procédurale : mémoire de travail pour agir
Les mémoires de travail déclarative et procédurale opèrent selon des principes analogues mais ont des capacités limitées distinctes.

La mémoire de travail déclarative :
  • Elle fournit de l’information au sujet du monde : état actuel de l’environnement (interne et externe), les souvenirs et la connaissance de faits.
  • Cette information est représentée dans un format qui peut être utilisé de façon flexible pour la communiquer et la manipuler.

La mémoire de travail procédurale :
  • Elle guide les opérations cognitives et le choix de l’action en spécifiant ce qu’il faut faire selon les circonstances.
  • Les représentations procédurales sont des sortes de règles condition-action, où la condition décrit les circonstances pour lesquelles la procédure s’applique, et la composante action définit ce qu’il faut faire.
  • Même si les représentations procédurales doivent être traduites dans un format déclaratif pour être communiquées (comme une règle verbale lors d’instructions), elles ne sont pas déclaratives en elles-mêmes.
  • Les représentations déclaratives, telles que des instructions, sont systématiquement traduites en procédures qui génèrent les actions.
  • La cognition et l’action sont contrôlées par des représentations procédurales.

Le contenu de la mémoire de travail procédurale correspond à des représentations de la mémoire procédurale à long terme sur lesquelles l’attention est portée, les sélectionnant ainsi pour guider les opérations cognitives effectuées sur les représentations déclaratives.

Le principe d’une mémoire de travail procédurale est particulièrement intéressant si l’on considère l’apprentissage de matières comme les maths, la physique ou la chimie. Celle-ci contiennent nombre d’informations déclaratives, mais profondément agencées dans un réseau de procédures des plus simple au plus complexe.

Mais comme on le voit, les procédures ne sont pas stockées sous forme d’instructions déclaratives et c’est là qu’est tout l’enjeu de l’enseignement et de la pédagogie. Le fait d’avoir une expertise dans un procédure ne la rend pas directement aisée à partager et à enseigner, car celle-ci doit d’abord être retraduite sous forme déclarative pour être réceptionnée et comprise sous cette forme par le destinataire. Destinataire qui a son tour la transformera sous forme procédurale dans sa mémoire à long terme. L’avantage des démarches d’enseignement explicite est dès lors évident avec un guidage accru et une exploration exhaustive des différentes spécificités des connaissances et procédures enseignées. L’approche dans laquelle un élève est amené à construire ses propres connaissances est de loin plus aléatoire lorsque l’on considère l’acquisition de procédures. Même si cela se produit, qu’est-ce qui garantit que les procédures construites par l’élève sont optimisées et rendent compte de l’ensemble des nuances désirées ? Et au prix de combien de tâtonnements ?




En conclusion


Les approches basées sur la découverte exigent de l'apprenant qu'il recherche dans une situation problème des informations pertinentes pour élaborer une réponse et qu’il en profite par la même occasion pour construire ses connaissances.

La confrontation de ces conceptions avec les principes régissant la mémoire de travail est sans appel. Cela ne peut marcher lorsque les apprentissages sont exigeants et nécessitent un rendement, il y a une antinomie avec l’idée d’efficacité. Elles conduisent à une saturation de la mémoire de travail qui ne permettra que peu de transferts en mémoire à long terme.

Il y a en effet une profonde différence entre le fait de rechercher des solutions aux problèmes et consolider des connaissances à long terme. En effet, il est possible de faire des recherches sur de longues périodes de temps avec un minimum d'altérations de la mémoire à long terme. Le but de l'instruction est rarement de simplement rechercher ou découvrir de l'information ce qui revient dans un sens à réinventer la roue en permanence. L’influence sur la plasticité du cerveau n’est alors que minimale.

L’objectif de l’enseignement est de donner aux apprenants des conseils spécifiques sur la façon de manipuler cognitivement l'information. L’objectif des apprentissages est de stocker le résultat dans la mémoire à long terme. En tant que tel ce processus est déjà des plus exigeants et il se place dans une démarche d’optimisation de la plasticité du cerveau. Basé sur des données probantes, l’enseignement explicite converge dans ses principes avec des résultats d’autres recherches en psychologie cognitive ou en neurosciences.

(mise à jour : 09/06/19)






Bibliographie


Ekovich, Muriel, Contrôle exécutif et mémoire - Inférences probabilistes et récupérations mnésiques dans les lobes frontaux, Thèse de doctorat (2014)

Kirschner, P. A., Sweller, J., & Clark, R. E. (2006). Why minimal guidance during instruction does not work: An analysis of the failure of constructivist, discovery, problem- based, experiential, and inquiry-based teaching. Educational psychologist, 41(2), 75-86.

Ciccarelli & White. Psychology 5th edition. Pearson. 2018

Gerrig & Zimbardo. Psychologie 18ème édition. Pearson. 2013

Marielle Lambert – Le Mener, « La performance académique des étudiants en première année universitaire : influence des capacités cognitives et de la motivation », Université de Bourgogne, Faculté de lettres et sciences humaines, Thèse (2012)

François Maquestiaux, Psychologie de l'attention, Deboeck, p 161-184, 2017

Rossi, J.-P. (2005). Psychologie de la mémoire : de la mémoire épisodique à la mémoire sémantique. Bruxelles: De Boeck.

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