vendredi 23 août 2019

Théorie de la charge cognitive : notions de charge intrinsèque, extrinsèque et utile

Le postulat central de la théorie de la charge cognitive repose sur la répartition des ressources de la mémoire de travail, déterminée en partie par les choix pédagogiques engagés par l’enseignant. Ceux-ci sont déterminants dans la mesure où ils conditionnent la possibilité d’un apprentissage.


(Photographie : Lloyd David)


On distingue trois types de charges : la charge intrinsèque, la charge extrinsèque et la charge utile. Les deux premières sont clairement additives, car elles décrivent le stockage des informations en mémoire de travail. La dernière, la charge utile, a un statut un peu plus spécial, car elle prend en compte le traitement de l’information, qui est indispensable à l’apprentissage.

L’idée est que si les ressources demandées par ces trois types de charges dépassent les capacités de la mémoire de travail, on se trouve en surcharge cognitive et tout apprentissage est hypothéqué.







La charge intrinsèque 


La charge intrinsèque représente les éléments à maintenir en mémoire de travail par l’élève, pour pouvoir réaliser le traitement exigé par la tâche en cours.

La charge intrinsèque est inhérente à la matière considérée ou au sujet considéré. 

La charge intrinsèque d’un objet d’apprentissage (savoir, savoir-faire ou compétence) dépend :

  • De la complexité inhérente de la matière considérée
  • Des connaissances préalables de l’élève considéré 

Il s’agit d’une charge imposée par l’objet de l’apprentissage :

  • Elle fait référence à la complexité de l’information à traiter, c’est-à-dire au nombre d’informations à retenir.
  • Elle est également liée au concept d’interactivité des éléments. 






Notion d’interactivité


L’interactivité correspond à la façon dont les informations sont liées les unes aux autres et interagissent entre elles.

Pour un même nombre d’informations données, la charge intrinsèque va augmenter avec l’interaction de ces dernières. La charge intrinsèque est plus basse si chaque élément peut être appris séparément.

Par exemple, le fait de retenir dix nouveaux mots en anglais et leur traduction française représente pour un élève le même nombre d’informations que de retenir dix termes nouveaux en biologie et leur signification. 

Cependant en biologie, retenir les termes ne suffit, pas, ils ont des liens de dépendance entre eux et donc une plus forte interactivité. Ainsi, dix informations en biologie peuvent représenter une charge intrinsèque supplémentaire à dix informations en anglais.  




Difficulté de son évaluation


Il est difficile de déterminer exactement la complexité de l’information traitée par un élève, car un autre facteur qui lui est propre va entrer en ligne de compte. Il s’agit des connaissances préalables dont dispose l’élève, sous forme de schémas cognitifs qu'il possède et qu’il peut activer dans sa mémoire à long terme.

L’information qui a été organisée et stockée dans la mémoire à long terme a des caractéristiques très différentes pour les humains que la même information avant qu’elle ne soit stockée. Automatisée en mémoire à long terme, elle ne présente aucune charge pour la mémoire de travail.

Par exemple, imaginons la tâche suivante. Un mot est présenté à une personne sur un écran pendant 10 secondes et 30 secondes plus tard on lui demande de le retranscrite sur un papier :

  • Pour un lecteur francophone, le mot « émotion » est aisé à traiter, facilement et inconsciemment, car il peut l’extraire de sa mémoire à long terme. Il s’agit d’un seul élément d’information à traiter en mémoire de travail.
  • Par contre le traitement du même mot, mais en russe, « эмоция » sera autrement plus complexe à traiter et un réel obstacle. Comme l’alphabet cyrillique est différent, chacun des symboles devra être mémorisé séparément et de même leur ordre devra être mémorisé en mémoire de travail. La charge cognitive que cela représente pour la personne sera nettement plus élevée. L’interactivité sera plus élevée aussi, car il s’agit de retenir l’ordre des caractères. Il y a de grandes chances que la saturation de la mémoire de travail empêchera tout apprentissage.
  • Maintenant, si on propose au francophone le même mot, mais en estonien, « emotsioon », la charge cognitive que cela représente sera intermédiaire. L’alphabet est le même et le mot ressemble à son équivalent français. Il représente dès lors une charge cognitive plus élevée que son équivalent français et plus faible que son équivalent russe. 
  • Si on propose la même tâche à un locuteur d’une autre langue, russe, estonienne, chinoise ou multilingue, les charges cognitives vont changer à nouveau, les ressources disponibles en mémoire à long terme variant à chaque fois.

La complexité ou l’interactivité des éléments dépend d’une combinaison de la nature de l’information et des connaissances de la personne qui traite l’information. Le mot en russe est susceptible de dépasse les capacités de la mémoire de travail de l’individu teste qui ne réussira pas à effectuer la tâche sans erreur. Le mot en français ne devrait présenter aucune difficulté.

La charge intrinsèque est déterminée à la fois par la complexité de l’information et par les connaissances de la personne qui traite cette information.

Le nombre d’éléments à maintenir actifs en mémoire de travail n’est pas complètement fixé pour une tâche. Il dépend de l’expertise de l’individu considéré. La charge intrinsèque n’est pas fixée pour une tâche donnée, mais est plutôt fixée pour une tâche donnée pour un individu donné.

Les sujets qui sont difficiles à traiter pour le un novice peut être très faciles pour un expert.






Comment agir sur elle ?


La charge intrinsèque peut être modifiée en changeant ce qui doit être appris ou en changeant l’expertise de l’élève.

La difficulté de la tâche en cours peut être réduite pour diminuer la charge intrinsèque et ainsi libérer des ressources pour l’apprentissage. L’enjeu d’une diminution de la difficulté est d’augmenter, par vase communicant, les ressources consacrées à l’apprentissage.

La charge intrinsèque peut être modifiée par des techniques d’enseignement qui facilitent l’apprentissage de matériel complexe.

  1. Une façon de réduire la charge intrinsèque du matériel est l’approche « simple à complexe ». Les éléments de contenu sont présentés à l’élève du simple vers le complexe, de sorte que l’élève ne ressente pas initialement toute la complexité du contenu.
  2. Une deuxième méthode est l’approche « partielle », où les éléments individuels du contenu sont présentés à l’élève en premier, avant que la tâche intégrée ne soit introduite.
  3. Une troisième approche consiste à présenter le contenu dans toute sa complexité dès le début, puis à diriger l’attention de l’élève vers les éléments individuels en interaction.

Ces approches permettent de réduire la charge cognitive des élèves en introduisant des éléments simples au début et en augmentant progressivement la complexité.

Un autre exemple est celui de l’effet du problème résolu. Il montre que l’on apprend mieux, pour les novices, avec une tâche dans laquelle la solution est donnée, que lorsque l’on doit trouver la solution sur la base des seuls éléments de l’énoncé :

  • Travailler un problème dont on a déjà la solution permet d’éviter d’avoir plusieurs éléments à maintenir en mémoire tout en les manipulant. 
  • À l’inverse, essayer de résoudre le même problème impose d’avoir tous les éléments en mémoire et de les manipuler, ce qui est coûteux en matière de ressources cognitives.






Charge extrinsèque


La charge extrinsèque désigne tous les éléments qui vont être maintenus en mémoire de travail, mais qui ne sont pas directement nécessaires à l’apprentissage. Elle se caractérise donc par tout ce qui est susceptible de perturber l’apprentissage, en créant du travail supplémentaire pouvant nuire à l’apprentissage. 

Ainsi, tout élément présent dans la situation d’apprentissage ne concourant pas directement à la formation de connaissances en mémoire à long terme est défini comme appartenant à la charge extrinsèque.

La charge cognitive extrinsèque regroupe donc tous les éléments que l’élève doit traiter et qui ne sont pas directement utiles à la formation de schémas en mémoire à long terme.

La charge extrinsèque dépend elle aussi à la fois de la tâche et des caractéristiques de l’élève. La charge extrinsèque n’est pas déterminée par la complexité intrinsèque de l’information, mais plutôt par la façon dont l’information est présentée et ce que l’élève doit faire pour aboutir à une résolution.





Risque de compétition


Les informations relevant de la charge intrinsèque et celles relevant de la charge extrinsèque sont en compétition pour les ressources cognitives de l’élève.

Si ce dernier doit maintenir actifs les éléments nécessaires à la réalisation de la tâche en cours ainsi que des éléments non pertinents pour l’apprentissage, la place en mémoire de travail disponible pour la charge intrinsèque est réduite.

Par exemple, une nouvelle matière présentera une charge cognitive extrinsèque élevée si l’enseignant place les élèves dans une situation authentique de résolution de problème. Cette instruction mal conçue ne facilitera pas la construction et l’automatisation des schémas. Elle ne contribuera pas à un apprentissage efficace.

Cela impose une charge cognitive élevée, mais n’encourage guère la construction de schémas, car l’attention de l’élève se concentre sur la résolution du problème plutôt que sur l’apprentissage.





Comment la réduire ?


Elle peut être modifiée en changeant les procédures d’enseignement.

Il faut bien comprendre que c’est une charge qui n’est pas nécessaire à l’apprentissage (c’est-à-dire la construction de schémas et l’automatisation) et qui peut être modifiée par des interventions pédagogiques. La charge extrinsèque ne contribue pas directement à l’apprentissage.

La charge extrinsèque sera allégée si la pédagogie est explicite, l’enseignant présentant la matière étape par étape. L’apprentissage de l’élève sera optimisé. La conception pédagogique sera plus efficace lorsque l’enseignant minimise la charge extrinsèque afin de libérer la capacité de la mémoire de travail.

Autre exemple, une présentation PowerPoint épurée, aux couleurs contrastées, écriture noire sur fond blanc, avec texte et images épurées, sera à l’origine d’une charge extrinsèque moindre que des diapositives chargées sur lesquelles s’entremêlent couleurs, textes, animation et illustrations. 

Par exemple, présenter la même information à la fois à l’écrit et à l’oral, ou encore émettre un commentaire redondant à côté d’un schéma visuel entraîne des traitements supplémentaires de la même information. Cela constitue une source de charge extrinsèque.

Si l’on reprend l’exemple de l’effet du problème résolu, présenter la figure seulement et expliquer aux élèves les étapes de la résolution du problème permet un apprentissage plus efficace que de leur présenter à la fois la figure et les explications écrites.

Le concepteur pédagogique peut donc limiter cette charge extrinsèque, en épurant le support.





La charge utile (charge essentielle ou charge cognitive germane) 


La charge utile a été définie comme étant la charge cognitive requise pour apprendre :

  • Les ressources de la mémoire sont consacrées à la gestion de la charge intrinsèque plutôt que de la charge extrinsèque. 
  • Une instruction bien conçue facilite directement la construction de schémas et l’automatisation


La charge utile fait référence à la charge imposée à la mémoire de travail par le processus d’apprentissage — c’est-à-dire le processus de transfert de l’information dans la mémoire à long terme par la construction de schémas. Ce dernier type de charge naît de la confrontation de l’élève avec le contenu présenté, au fil de son apprentissage.

Le fait de maintenir simultanément des éléments liés entre eux permet de transférer le schéma approprié en mémoire à long terme et de créer une représentation unique de ces éléments. 

La charge utile a une fonction redistributive des aspects extrinsèques aux aspects intrinsèques de la tâche plutôt que d’imposer une charge en soi.

La combinaison d’une diminution de la charge extrinsèque et d’une augmentation simultanée de la charge utile implique une réorientation de l’attention. L’attention des élèves doit être retirée des processus qui ne sont pas pertinents pour l’apprentissage. Elle doit être orientée vers les processus qui sont pertinents pour l’apprentissage et, en particulier, vers la construction et l’abstraction consciente des schémas.





Comment la favoriser ?


Le matériel didactique a une efficacité maximale lorsqu’il réduit la charge externe (qui n’est pas pertinente pour l’apprentissage) et augmente la charge utile qui est directement liée à l’apprentissage :

  • Toutes les ressources utilisées lors du transfert d’informations de la mémoire de travail vers la mémoire à long terme relèvent de la charge utile. 
  • Tous les traitements réalisés sur les informations maintenues en mémoire de travail permettent d’améliorer l’efficacité de l’apprentissage. 
  • Une information est d’autant mieux mémorisée que les traitements effectués au moment de l’encodage sont profonds. 
  • Si un élève se retrouve à plusieurs reprises confronté à un matériel de même type, il a été montré que des schémas mentaux se développent, facilitant aussi ses prochains apprentissages. 

On enseigne explicitement à l’élève comment résoudre le problème et on lui donne beaucoup d’exemples pratiques pour le résoudre. Cela impose une charge cognitive plus faible à l’élève, ce qui lui permet d’apprendre et de se rappeler comment résoudre le problème lorsqu’il y est confronté à nouveau.




Objectifs de la théorie


Lorsqu’un élève doit traiter une tâche, il doit intégrer mentalement des informations différentes, afin de comprendre de façon synthétique ce qui lui est présenté, morceau par morceau. Cette activité d’intégration mentale a un coût cognitif.

L’objectif de la théorie de la charge cognitive est d’identifier ce qui a un effet sur ce coût, et de trouver des solutions pour le faire baisser. Par ce fait, l’apprentissage devient plus probable et plus efficace.

Pour favoriser le traitement cognitif lié à l’apprentissage, l’enseignant va : 

  • Gérer le traitement cognitif intrinsèque
  • Minimiser le traitement cognitif extrinsèque
  • Favoriser le traitement génératif utile

Pour y arrive l’enseignant va procéder étape par étape en les emboîtant au fur à mesure que l’information est passée en mémoire à long terme. Il va favoriser une démarche d’enseignement explicite et utiliser différents processus tels que l’effet du problème résolu ou l’effet de non-spécification du but.



Bibliographie 


Sebastien Puma. Optimisation des apprentissages : modèles et mesures de la charge cognitive. Psychologie. Université Toulouse le Mirail — Toulouse II, 2016. Français. NNT : 2016TOU20058. tel — 01735371

http://edutechwiki.unige.ch/fr/Th%C3%A9orie_de_la_charge_cognitive

Centre for Education Statistics and Evaluation, Cognitive load theory: Research that teachers really need to understand, 2017

Sweller, J., van Merriënboer, J.J.G. & Paas, F. Educ Psychol Rev (2019) 31: 261. https://doi.org/10.1007/s10648-019-09465-5

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