dimanche 27 octobre 2019

Théorie de la charge cognitive : implications de l’effet d’attention partagée sur la conception pédagogique

Selon la théorie de la charge cognitive, l’attention est une des ressources cognitives utilisées par les élèves qui joue le rôle de facteur limitant durant l'apprentissage. Dès lors, il est pertinent de tenir compte de ses limitations dans l’optimisation de la présentation de l’information aux élèves. L’effet d’attention partagée est une occurrence de ces phénomènes.


(Photographie : Boris Snauwaert)



L’attention sert à la fois de filtre aux informations sensorielles perçues et de moteur à la discrimination des éléments qui entreront dans la mémoire de travail. À leur tour, la mémoire de travail et la mémoire à long terme orientent son rôle de sélection.



Éviter l’effet d’attention partagée


Le fractionnement de l’attention en contexte pédagogique se produit lorsque les élèves doivent la distribuer entre plusieurs sources d’information physiquement ou temporellement disparates, afin de les intégrer mentalement.

Ce processus d’intégration est inévitable dans la mesure où chaque source d’information est essentielle à la compréhension du contenu.

La charge cognitive est accrue par le besoin d’intégrer mentalement les multiples sources d’informations disparates. Cette augmentation de la charge cognitive extrinsèque est susceptible d’avoir un impact négatif sur l’apprentissage. C’est ce qu’on appelle l’effet d’attention partagée.

Cependant, il est possible de diminuer cette charge extrinsèque lorsque la même information a été restructurée pour éliminer la nécessité de fractionner l’attention.

La restructuration se fait par l’intégration physique ou temporelle de sources d’information disparates afin d’éliminer le besoin d’intégration mentale.

En résumé, le principe de l’attention partagée stipule que lorsqu’il existe des sources d’information disparates qui doivent être intégrées mentalement pour que l’information soit comprise, celles-ci devraient être présentées sous une forme intégrée.

Son apparition nécessite le fait que les multiples sources d’information sont inintelligibles lorsqu’elles sont considérées isolément. Deux ou plusieurs sources d’information différentes physiquement séparées requièrent une recherche afin de localiser et d’associer les informations pertinentes. C’est cet acte de recherche qui impose une charge cognitive extrinsèque.

Cela a pour conséquence que les élèves qui traitent l’information intégrée obtiennent de meilleurs résultats que les élèves qui étudient la même information présentée sous forme d’attention partagée.

Concrètement, une conséquence est que les élèves qui étudient des problèmes résolus où les informations sont intégrées génèrent un apprentissage plus riche et approfondi. Ils font moins d’erreurs et assimilent plus vite que des élèves qui suivent une stratégie conventionnelle de résolution de problèmes. Ces derniers cherchent par eux-mêmes les solutions et bénéficient éventuellement d’un étayage de leur enseignant.

L’effet d’attention partagée tient pour une part du fonctionnement multitâche dont on a vu précédemment (voir article) qu’il n’était qu’illusoire et présentait un réel coût cognitif.

Dans le cas de l’effet d’attention partagée, il s’agit de récupérer et d’intégrer les informations disparates et d’en effectuer le traitement. En soi, on peut concevoir qu’il s’agit de deux tâches, aucune des deux n’étant automatisée. En effet, face à des informations intégrées, le traitement peut être immédiat et bénéficier de l’essentiel des ressources.




Application dans le cadre d’un problème résolu en géométrie


Il s’agit de réduire la répartition de l’attention des élèves entre des stimuli disparates. Des informations textuelles en lien avec un schéma ont tout intérêt à se trouver dans la zone exacte de ce dernier où elles sont pertinentes.

Par exemple, un exemple de problème résolu dans le domaine de la géométrie pourrait consister en un schéma accompagné de l’énoncé des solutions associées :

  • Le schéma seul ne révèle rien de la solution au problème.
  • Les énoncés, à leur tour, sont inintelligibles pour les élèves, lorsque considérés isolément.
  • La compréhension est possible lorsque les élèves font le lien entre le schéma et les énoncés : il est nécessaire qu’ils intègrent les deux informations.





Format fractionné traditionnel



(Source : Ayres, P., & Sweller, J. [2014])

Dans la figure 8.1 illustrant l’effet de l’attention partagée, une solution à un problème de géométrie élémentaire est présentée dans un format fractionné traditionnel, dans lequel la solution se trouve représentée sous le schéma.

Le schéma fournit toutes les informations nécessaires pour résoudre le problème. Bien qu’il existe plusieurs cheminements possibles pour aboutir à la solution, le problème résolu fournit une solution en deux étapes. Comme la solution est adjacente au schéma plutôt qu’intégrée par parties à l’intérieur de celui-ci, cet exemple a un format fractionné.

Les élèves doivent intégrer mentalement les deux sources d’information afin de comprendre la solution, un processus susceptible de produire une charge cognitive élevée et d’entraver l’apprentissage.

La solution donnée demande à l’élève de lire chaque énoncé et d’examiner le schéma pour déterminer la correspondance entre l’information mentionnée dans l’énoncé et celle contenue dans le schéma.

Ce processus d’appariement des énoncés de solution avec le schéma nécessite plusieurs allers-retours et recherches pour être complété. Lors de la recherche, les informations du schéma et de l’énoncé doivent être conservées dans la mémoire de travail. Les deux sources d’information doivent être réexaminées plusieurs fois avant que l’information puisse être correctement associée.

Les processus mentaux impliqués dans la recherche et l’intégration de cette information créent une charge cognitive extrinsèque rendue inévitable par la conception du problème résolu.




Format intégré


Cet effet d’attention partagée peut être évité en intégrant physiquement le schéma et les énoncés de la solution, comme le montre le format intégré de la figure 8.2. Cela permet de rendre l’effort d’intégration mentale superflu et permet d’établir pleinement les effets positifs des problèmes résolus.


(Source : Ayres, P., & Sweller, J. [2014])

La théorie de la charge cognitive repose essentiellement sur le fait que la charge cognitive extrinsèque interfère avec l’apprentissage. Une part non négligeable des ressources limitées de la mémoire de travail sont alors consommées par des traitements inutiles.

Le problème résolu présenté à la figure 8.2 a un format intégré dans lequel les énoncés de solution sont situés directement dans le schéma à l’endroit où ils sont pertinents.

Ce format réduit le besoin de rechercher des correspondances et réduit le poids de la charge extrinsèque sur les ressources de la mémoire de travail, car moins d’informations non pertinentes doivent y être conservées.

Chaque partie de l’énoncé de la solution est positionnée directement à l’endroit où se situent le sous-objectif et les angles correspondants.

Les deux étapes sont également numérotées pour permettre à l’apprenant de suivre facilement la séquence correcte.

Dans ce format physiquement intégré, la charge cognitive extrinsèque est considérablement réduite par rapport à celle du format à attention partagée.

Par conséquent, davantage de ressources de mémoire de travail peuvent être concentrées sur l’acquisition de schémas pertinents à l’apprentissage plutôt que sur des processus de recherche et d’intégration inutiles qui sont étrangers à l’apprentissage.

Dans ces conditions, l’intégration physique se substitue et prévient l’intégration mentale, qui est réduite au minimum par le format intégré.

Les supports visuels d’apprentissage qui partagent l’attention génèrent quant à eux plus de charge extrinsèque que les supports intégrés, ce qui a pour effet de réduire l’apprentissage.




Application dans le cadre d’apprentissages procéduraux


Le coût relatif à l’intégration mentale peut entraîner le fait qu’un apprentissage par problèmes résolus ne fournit plus d’avantages substantiels par rapport à une stratégie de résolution de problèmes où on laisse les élèves chercher.

Ce phénomène a été mis en évidence en physique dans le cadre de la résolution de problèmes sur le mouvement rectiligne uniforme, mais il n’y a aucune raison de penser que cette situation ne soit pas plus large.

La cause en est l’effet d’attention partagée entraîné par les éléments disparates au sein des problèmes résolus. Celui-ci peut être dû à une séparation entre schémas et explications textuelles. Elle peut être également causée par une séparation au sein de la résolution proposée entre les formules initiales, leur manipulation et leur application par la substitution de valeurs connues.

La rédaction des problèmes résolus est donc cruciale en ce qui concerne le bénéfice qu’ils peuvent générer. En effet comme il a été montré, une fois toutes les étapes de résolution intégrées, le rendement généré par l’étude des problèmes résolus devient supérieur à :

  • Une stratégie de résolution de problèmes classique
  • À l’utilisation de problèmes résolus structurés de façon conventionnelle et nécessitant une intégration mentale suscitant l’effet d’attention partagée.





Application aux supports écrits d’apprentissage


De nombreux supports d’apprentissage sont construits à l’aide de textes explicatifs combinés à des diagrammes ou schémas. Beaucoup de ces supports didactiques sont souvent présentés dans un format à attention partagée, car le texte n’est pas entièrement intégré aux illustrations.

Le principe est d’éviter d’écrire les notes explicatives sous un schéma. On intègre préférentiellement les notes explicatives et légendes au sein du schéma. Les placer spécifiquement au niveau du point de référence graphique pertinent, réduit le besoin d’une intégration mentale.

En résumé : intégrer les notes explicatives physiquement dans les schémas est plus efficace en matière d’apprentissage que de les inscrire à distance sous ceux-ci, car dans ce dernier cas, on crée un effet d’attention partagée.

Cet effet qui se vérifie entre schéma et texte explicatif peut également être mis en évidence lorsqu’il s’agit d’intégrer deux textes différents afin d’arriver à une compréhension. Il est également intéressant dans ce cas de les intégrer physiquement.

Ce processus diminue le temps nécessaire pour comprendre et étudier l’information, amoindrit la charge extrinsèque. Il permet ainsi une charge utile accrue et permet un meilleur apprentissage.




Optimiser l’inclusion d’illustrations


L’inclusion d’illustrations dans des supports didactiques, particulièrement en sciences, présente des avantages évidents :

  • L’utilisation d’illustrations sans explications reliées ou d’explications sans illustrations en rapport est moins bénéfique en matière d’apprentissage que de fournir les deux ensembles.
  • Fournir les deux ensembles nécessite également de bien intégrer schémas, textes et légendes en évitant toute redondance et tout effet d’attention partagée.

Il s’agit d’établir des liens entre les représentations picturales et le contenu verbal. Ainsi texte et illustrations gagnent à être présentés de façon contiguë et intégrée plutôt que séparément.

Dans son livre « Multimedia learning » (2009), Richard E. Mayer formule le principe de contiguïté spatiale : « Les élèves apprennent mieux lorsque les mots et les images correspondants sont présentés à proximité plutôt que loin les uns des autres sur la page ou l’écran ».

Les explications textuelles et les schémas n’ont pas besoin d’être sur des pages différentes ou d’être sensiblement éloignés l’un de l’autre pour produire un effet d’attention partagée. Les différences peuvent être assez subtiles. Placer les explications sous le schéma peut créer un effet de partage de l’attention qui ne se manifestera pas si les explications sont intégrées dans le schéma aux endroits pertinents. De même, séparer les explications en étapes est plus efficace que les laisser en vrac.

L’effet peut se manifester même si les textes sont courts et les schémas simples. Leur non-intégration demande aux élèves de consacrer plus de ressources cognitives que si les informations sont intégrées.

L’intégration de mots et d’images mène à un apprentissage supérieur comparativement à une conception où ces éléments sont séparés.



Cas de l’apprentissage informatique


Potentiellement, tout support didactique (papier ou multimédia) qui contient plus d’une source d’information est un candidat pour l’intégration de l’information de source fractionnée.

Un problème particulier est celui lié à l’apprentissage de l’utilisation d’un logiciel, d’une application ou d’un outil informatique.

En effet, l’effet d’attention partagée est inévitable lorsqu’un élève doit se partager entre un manuel d’utilisation et le logiciel lui-même sur écran.

Des recherches ont montré que pour réduire l’attention partagée, il est intéressant que l’élève reçoive toutes leurs instructions dans un manuel spécialement modifié pour intégrer parfaitement l’information. Dans cette approche, aucun ordinateur ou clavier n’est plus utilisé par l’apprenant. Les écrans et les claviers sont remplacés par des schémas dans un manuel ou tout autre support didactique utilisé par l’instructeur.

Pour réduire l’attention partagée dans ce médium, le texte et les schémas sont entièrement intégrés, obligeant les élèves à suivre un certain nombre d’étapes ordonnées.

Cette approche intégrée n’utilisant aucun matériel informatique s’avère supérieure au groupe conventionnel combinant les deux, suggérant que l’utilisation simultanée d’un manuel et d’un ordinateur a créé un effet d’attention partagée.

Les élèves qui s’étaient entraînés à utiliser le matériel informatique en parallèle, ont démontré une moindre maîtrise de l’utilisation matérielle que les élèves qui avaient appris sans accès direct à l’équipement pertinent.

La pratique de l’utilisation de l’ordinateur, durant les premières phases d’un tel apprentissage, est beaucoup moins importante que les instructions correctement formatées présentées sur papier.

La meilleure façon d’apprendre à connaître les bases d’un ordinateur, d’un logiciel ou d’une application n’est pas de l’utiliser directement pur un élève. L’approche intégrée non informatisée est mieux adaptée à l’acquisition de compétences informatiques dans les premières étapes de l’apprentissage ou dans les phases critiques de celui-ci.

Il s’agit bien dans ces démarches d’éviter que l’élève ait à combiner deux sources trop tôt. Il ne s’agit pas de privilégier un support papier statique face à un support multimédia dynamique. La question s’est posée à l’époque des recherches effectuées sur le sujet. Il a été montré qu’un support d’apprentissage intégré sur ordinateur insérant toutes les instructions dans le logiciel aux points appropriés, réduisait d’une même manière l’effet d’attention partagée.




L’usage d’un codage de couleurs


Il s’agit d’une alternative à l’intégration spatiale des sources d’attention partagée. Elle réduit la recherche visuelle en attirant l’attention à l’aide d’un système de codage couleur pour relier le texte directement aux parties pertinentes d’un schéma. En apprenant à connaître les circuits électriques, les élèves peuvent par exemple cliquer sur une section de texte qui identifie immédiatement les parties pertinentes d’un schéma à considérer en changeant leur couleur. L'approche marche particulièrement bien pour illustrer la notion de potentiel dans un circuit électrique.


(Source : Reeves, Tony. [2003])

La coloration des parties pertinentes d’un schéma est efficace pour surmonter les supports didactiques à attention partagée.




Stratégies de direction active de l’attention


Une alternative à l’intégration de l’information consiste donc à utiliser des stratégies de direction de l’attention. Il s’agit de combiner segmentation et signalisation.

Il s’agit de diviser le texte explicatif en segments plus petits, étiquetés avec un nombre correspondant à un nombre équivalent sur le schéma. On divise par exemple une procédure en étapes clairement identifiées.

Dans un format multimédia, certains schémas peuvent être rendus visibles en cliquant ou en passant sur certaines zones du contenu. Ils apparaissent dès lors contextuellement lorsqu’ils sont pertinents.

Les élèves sont souvent amenés à traiter des supports qui sont présentés dans des formats à attention partagée. Un objectif éducatif important est de les doter de stratégies pour faire face à de tels environnements d’apprentissage inappropriés sur le plan pédagogique.

Il s’agit de mettre l’accent sur les démarches d’intégration active de l’élève face aux supports didactiques.

Par exemple, on peut demander aux élèves de faire le lien entre un schéma et un texte explicatif en établissant des liens entre les deux dans une tâche d’apprentissage. Les élèves sont ainsi engagés dans l’intégration physique et mentale.

On peut aussi demander aux élèves de mettre en évidence des sections clés d’information dans deux sources d’information qu’ils les relient avec des flèches ou qu’ils numérotent chaque étape de la séquence.




Intégration temporelle et effet d’attention partagée


L’effet d’attention partagée ne concerne pas seulement l’organisation spatiale des sources d’information, mais aussi leur organisation temporelle.

De multiples sources d’information qui doivent être intégrées avant qu’on puisse les comprendre peuvent aussi être séparées dans le temps, ce qui entraîne une séparation temporelle.

Dans le cadre d’une instruction en classe ou d’un cours en ligne, l’animation et la narration connexe doivent être synchronisées, afin de réduire la charge cognitive et de faciliter l’apprentissage.

La séparation temporelle génère une charge cognitive extrinsèque pour les mêmes raisons que la séparation physique.

Les élèves doivent identifier inutilement les sources d’information séparées temporellement, ce qui mobilise des ressources de mémoire de travail pour intégrer mentalement de multiples sources d’information.

L’intégration temporelle réduit le besoin d’intégration mentale et réduit la charge cognitive extrinsèque.

Dans son livre « Multimedia learning » (2009), Richard E. Mayer formule le principe de contiguïté temporelle : « Les élèves apprennent mieux lorsque les mots et les images correspondants sont présentés simultanément plutôt que successivement ».

En raison des limites de la mémoire de travail, les mots et les images ne devraient pas être séparés dans le temps. Prenons par exemple le cas d’une présentation multimédia assistée par ordinateur dans laquelle un épisode de narration est suivi d’un épisode d’animation qui décrit le contenu de la narration. Pour bien comprendre ce que signifient les deux épisodes, l’élève doit tenir une partie ou la totalité de la narration en mémoire de travail, puis intégrer cette narration à l’animation. Cette intégration mentale peut nécessiter des ressources considérables en mémoire de travail, ce qui les détourne de l’apprentissage.




Conclusions et limites


La non-prise en compte de l’effet d’attention partagée est susceptible d’avoir un coût important en matière d’apprentissage. Il concerne toute forme d’instruction.

Les supports d’instruction présentés dans un format intégré génèrent un apprentissage supérieur à ceux présentés dans un format à attention partagée.

Si l’approche peut sembler évidente, elle est loin d’être généralisée. Le format de beaucoup de support d’instruction est déterminé par des approches pédagogiques traditionnelles où l’élève est placé en situation de recherche. Les facteurs cognitifs sont rarement pris en compte, ce qui donne lieu à des conceptions pédagogiques où l’attention partagée est courante.

Néanmoins, il faut rester conscient de trois limites à son application:



1) Effet d’attention partagée et intégration


La relation logique entre les sources d’information est essentielle pour l’effet d’attention partagée. L’effet ne peut être obtenu que lorsque de multiples sources d’information sont essentielles à la compréhension et ne peuvent donc pas être comprises isolément.

Ce principe ne s’applique que lorsque plusieurs sources d’information sont inintelligibles isolément.

Si toutes les sources d’information sont intelligibles isolément et redondantes, l’élimination de la redondance plutôt que l’intégration physique devrait être recherchée.

Il est essentiel d’analyser la relation logique entre les multiples sources d’information avant l’intégration physique.





2) Effet d’attention partagée et interactivité


L’interactivité des éléments fait référence au nombre d’informations qui doivent être traités simultanément dans la mémoire de travail afin que l’élève puisse comprendre le contenu :

  • Les contenus peu interactifs sont faciles à apprendre parce qu’ils permettent de réduire au minimum les besoins en mémoire de travail.
  • En revanche, les contenus à forte interactivité sont plus complexes et sollicitent davantage la mémoire de travail.

L’interactivité des éléments affecte la charge cognitive intrinsèque, tandis que l’attention partagée entraîne une charge cognitive extrinsèque parce qu’elle est créée par le format du support didactique.

L’effet d’attention partagée ne se produit que lorsque les supports sont très interactifs. Il est peu probable qu’un schéma et un texte connexe qui ont peu d’éléments en interaction et qui sont donc faciles à comprendre soient rendus plus intelligibles s’ils sont intégrés physiquement.

Pour les tâches très interactives, un format d’attention partagée aura un impact négatif sur l’apprentissage. Le principe de l’attention partagée ne s’applique qu’aux contenus très interactifs.




3) Effet d’attention partagée et expertise


Il y a un lien avec le niveau d’expertise dans un domaine donné et le coût engendré par l’effet d’attention partagée. Cet effet est particulièrement marqué avec les novices.

L’avantage de l’intégration de l’information est important pour les élèves dont le niveau de connaissances est faible dans le domaine considéré. Ainsi, lorsque les élèves possèdent des connaissances larges l’avantage disparait.

Pour les experts, les résultats s’inversent. On retrouve un rendement d’apprentissage supérieur pour un format d’attention partagée supérieur que pour un format intégré, ce qui correspond à un exemple de l’effet d’inversion de l’expertise. D’autres techniques d’enseignement sont nécessaires dans de telles circonstances, l’approche la plus pertinente étant l’élimination de l’information redondante.






Bibliographie


Ayres, P., & Sweller, J. (2014). The split-attention principle in multimedia learning. In R. E. Mayer (Ed.), The Cambridge handbook of multimedia learning (2nd ed., pp. 135–146). New York: Cambridge University Press.

Sweller, J., van Merriënboer, J. and Paas, F. (2019). Cognitive Architecture and Instructional Design: 20 Years Later. Educational Psychology Review.

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

Mayer, R. E. (2009). Multimedia learning (2nd ed.). New York, NY, US: Cambridge University Press.

Reeves, Tony. (2003). TEACHING ELECTRICITY: Potential difference in colour. Physics Education. 38. 191-193. 10.1088/0031-9120/38/3/401.

2 commentaires:

  1. Bonjour !

    Selon vous, le recours à une carte mentale est-il de nature à limiter l'effet d'attention partagée que vous mentionnez ?

    Merci !

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    1. Oui, très certainement. Comme tout ce qui est de type "organisateur graphique".

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