Quelle est l’importance des images mentales et des images physiques pour l’apprentissage ? Plus largement, en quoi les représentations verbales et visuelles se distinguent-elles en matière de traitement cognitif ?
Voici une synthèse de la question dans le cadre que propose Oliver Caviglioli au sein de son livre « Dual Coding for teachers ». Oliver Caviglioli associe les idées de Larkin et Simon (1987) au modèle de la mémoire de travail d’Alan Baddeley et à la théorie du double codage d’Alan Paivio.
Comprendre les distinctions entre représentations internes ou externes, verbales ou visuelles
Lorsque nous résolvons un problème, ou lorsque nous tâchons d’établir notre compréhension de nouveaux contenus, nous utilisons à la fois des représentations internes et des représentations externes, enregistrées sur un support.
Les représentations internes sont activées dans notre mémoire à long terme ou élaborées dans notre mémoire de travail.
Selon J.R. Anderson (1978), il n’y a pas de moyen opérationnel de distinguer une représentation interne sur laquelle on réfléchit d’une représentation schématique externe qui lui est directement reliée.
Dans leurs recherches, Larkin et Simon (1987) se sont centrés sur les représentations externes. Ils ont distingué deux modes de représentation de l’information sur support écrit qui correspondent à deux modèles de nos systèmes de traitement :
- Les représentations visuelles
- Les représentations verbales
(Source : Oliver Caviglioli)
Les caractéristiques des représentations verbales
Par représentation verbale, nous entendons un format de texte habituel, éventuellement structuré en titres et sous-titres.
Les éléments qui forment la structure de données dans ce type de représentation apparaissent dans une seule séquence. Les données sont indexées selon leur position dans une liste. Chaque élément est adjacent uniquement à l’élément qui le suit et à celui qui le précède. Les représentations verbales sont de nature séquentielle.
Les représentations verbales sont traitées en mémoire de travail par la boucle phonologique.
Les représentations verbales possèdent deux caractéristiques types :
- Elles imposent un traitement sériel, linéaire de l’information. De ce fait, elles peuvent servir à mettre en évidence une séquence temporelle ou logique, ou des relations hiérarchiques.
- Elles tendent à contenir nombre d’éléments implicites qui doivent être déduits parfois au prix d’efforts, afin de les rendre explicites à l’usage.
Les caractéristiques des représentations visuelles
Par représentation visuelle, nous entendons tout ce qui est de l’ordre du schéma, du diagramme, de la hiérarchie ou du réseau d’informations.
Dans les représentations visuelles, les informations sont indexées selon leur emplacement sur une feuille. Celle-ci fonctionne comme un plan, selon deux dimensions.
Sur une base individuelle, elles forment les éléments constitutifs d’un diagramme décrivant un contenu global. Ces éléments ont des relations, des liens formalisés avec d’autres éléments du même diagramme.
De nombreux éléments sont susceptibles de partager un emplacement voisin. Chaque élément pouvant être adjacent ou en relation avec divers autres éléments.
Les représentations visuelles sont traitées en mémoire de travail par le calepin visuospatial.
Les représentations visuelles possèdent deux caractéristiques types
- Elles permettent un traitement synchrone, non linéaire, en parallèle de l’information.
- Elles affichent généralement de manière claire et explicite certains liens qui ne sont souvent qu’implicites dans les représentations verbales. Elles assurent la mise en évidence explicite des informations sur les relations entre diverses composantes.
Notion d’équivalence et de différence de traitement des représentations visuelles et verbales
Considérons deux représentations, l’une est visuelle et l’autre est verbale. Elles sont équivalentes sur le plan de l’information contenue. Toutes les informations contenues dans l’une sont également déductibles de l’autre, et vice versa.
Leur efficacité propre sera différente dans la mesure où le traitement des informations qu’elles contiennent va dépendre de différents opérateurs de traitement. La forme de la représentation plus que le contenu peut entrainer des traitements divergents.
Une possibilité d’optimisation peut consister à trouver le moyen dans un domaine spécifique, de contraster et combiner les représentations schématiques et verbales pour favoriser un usage efficace de nos systèmes de traitement de l’information.
Larkin et Simon (1987) ont exploré la résolution de divers problèmes dans les deux types de représentations et se sont interrogés sur la difficulté respective de l’établissement de leur solution.
Les opérateurs de traitement verbaux et visuels peuvent différer :
- Dans leurs stratégies de contrôle, plus particulièrement la recherche d’informations
- Dans leur capacité à reconnaître des modèles et leurs caractéristiques
- Dans les déductions et les inférences qu’ils peuvent faire directement
La recherche d’informations dans les représentations verbales et visuelles
Dans la représentation verbale
La structure de la représentation verbale consiste en une simple liste d’éléments. À moins qu’un index ne soit fabriqué et ajouté explicitement à cette liste, la recherche d’éléments correspondant aux conditions de toute règle d’inférence nécessite une recherche linéaire dans la structure de données.
Les différents éléments nécessaires pour répondre aux conditions d’une règle donnée peuvent être très éloignés les uns des autres dans la liste.
Les temps de recherche dans un tel système dépendent de la taille de la structure des données. Il peut devenir conséquent sans valeur ajoutée.
Dans la représentation visuelle
Lors de la recherche dans un diagramme, chaque élément a un emplacement logique qui fait qu’il est facilement localisable.
L’application d’une règle d’inférence peut être facilitée dans la mesure où tous les éléments la concernant sont situés à un seul endroit, ou à proximité les uns des autres.
Aucune recherche n’est nécessaire dans les données restantes. Cela peut se traduire en un gain de temps. Bien entendu, une certaine recherche peut être nécessaire pour trouver au départ le bon endroit.
Comparaison
Sur le plan du traitement lié à la recherche, ces deux systèmes ne sont pas, en général, équivalents.
Nous pouvons nous attendre à ce que la représentation visuelle fasse preuve d’une efficacité dans la recherche plus élevée que la représentation verbale. Le traitement cognitif d’une représentation visuelle s’en trouve favorisé face à une représentation verbale.
La reconnaissance dans les représentations verbales et visuelles
Les capacités humaines à reconnaître des informations sont sensibles à la forme exacte (la représentation) sous laquelle l’information est présentée aux sens (ou à la mémoire).
Par exemple, considérons un ensemble de points présentés soit dans un tableau de coordonnées x et y reprenant leurs données chiffrées. Il s’agit d’une représentation verbale.
Prenons les mêmes points, maintenant représentés géométriquement sur un graphique. La vision du graphique permet d’accéder directement à de multiples informations mathématiques sur la forme et les caractéristiques de la courbe par exemple. Il s’agit de sujets comme la croissance, le type de fonction, les extrema, les discontinuités, etc.
La plupart de ces informations sont directement et explicitement reconnaissables et identifiables graphiquement. Elles ne le sont pas, si ce n’est implicitement dans la représentation textuelle.
Cet exemple en mathématiques peut se transposer facilement dans de multiples domaines comme en physique, en biologie, en chimie ou encore en géographie
La facilité de reconnaissance peut être fortement affectée par les informations rendues explicites dans une représentation visuelle, et celles qui sont seulement implicites dans une représentation textuelle.
Toutes ces informations inaccessibles directement dans une représentation textuelle peuvent avoir un effet très négatif sur l’issue du traitement cognitif des informations.
Souvent, rendre explicite l’implicite est ce qui va permettre de réaliser des inférences. Tout cela donne un net avantage à la représentation visuelle.
Si les mêmes informations peuvent toutefois être déduites de la représentation verbale, ce processus d’inférence va nécessiter un traitement cognitif bien plus important avec risque de surcharge cognitive. Ce coût cognitif sera d’autant plus important que la personne concernée est novice dans un domaine.
L’inférence dans les représentations verbales et visuelles
Les effets différentiels des représentations verbales et visuelles sur l’inférence sont plus minimes que ceux présents dans le cadre de la recherche et de la reconnaissance.
En effet, l’inférence est largement indépendante de la représentation si le contenu informatif des deux ensembles est équivalent à ce niveau.
Dans le cadre de la résolution de problèmes ou des supports d’enseignement ou d’apprentissages dans des cours comme les mathématiques et les sciences, l’usage intensif de représentations visuelles est une norme. En exclure l’usage minerait grandement l’efficacité des processus.
Dans les représentations visuelles (schémas, diagrammes, réseaux, hiérarchies, etc.), l’information est organisée par lieu, spatialement :
- Régulièrement, une grande partie des informations nécessaires pour faire des déductions est explicitement présente dans une zone réduite.
- De plus, les indices de la prochaine étape logique peuvent être présents dans un endroit adjacent.
- La résolution des problèmes, l’acquisition de la compréhension, l’apprentissage ou la récupération peuvent se faire par le biais d’un parcours fluide du diagramme.
- Leur usage nécessite très peu de recherche ou de calcul d’éléments qui seraient implicites, distants ou absents dans le cadre d’une représentation verbale.
La pensée dès qu’elle vise l’efficacité peut souvent ne pas se contenter d’être, mais gagne à intégrer de même des représentations visuelles mentales.
Larkin et Simon (1987) notent l’utilisation centrale et métaphorique du verbe « voir », « regarder », « visualiser », « imaginer », « représenter » même lorsqu’il n’y a pas de processus visuel explicite dans les processus nécessitant de poser des interférences.
Ils supposent que cette métaphore se réfère à des inférences qui sont qualitatives et perceptuelles. Celles-ci nous permettent de rencontrer une certaine efficacité. Le développement de l’expertise permet d’améliorer la qualité de la perception, de mieux visualiser en incluant plus de paramètres signifiants. Par exemple, un expert en échecs peut « voir » des choses sur l’échiquier qui ne sont pas évidentes pour l’observateur non expert.
Importance des représentations visuelles pour l’enseignement et l’apprentissage
Il existe différentes raisons pour lesquelles un diagramme peut être supérieur à une description verbale pour résoudre des problèmes :
- Les diagrammes peuvent regrouper toutes les informations qui sont utilisées ensemble, ce qui évite d’avoir à chercher longuement les éléments nécessaires pour faire une inférence dans la résolution d’un problème.
- Les diagrammes utilisent généralement l’emplacement pour regrouper les informations sur un seul élément, ce qui évite de devoir rechercher et mettre en évidence des liens implicites.
- Les diagrammes prennent automatiquement en charge un grand nombre d’inférences perceptuelles, qui deviennent beaucoup plus aisées à réaliser.
Toutes les représentations visuelles n’ont pas la même qualité et ne vont pas forcément activer ces avantages. Pour être utile, un diagramme doit être construit de manière à les activer.
Même lorsqu’un diagramme permet des inférences perceptuelles aisées, il reste que celles-ci doivent être pertinentes dans le cadre d’un apprentissage ou d’une résolution de problèmes. L’enjeu d’un diagramme est de mettre en évidence les aspects signifiants et d’éluder les aspects insignifiants.
Le fait qu’un diagramme se révèlera plus efficace va également dépendre de la situation considérée et de l’expertise de la personne qui traite le problème. Les diagrammes ne sont utiles qu’à ceux qui connaissent les processus de traitement qui sont appropriés pour en tirer profit.
De même, il peut être utile pour l’apprentissage et la capacité de résolution de problème de savoir comment construire un diagramme utile.
Si nos élèves, qui sont des novices, ne possèdent pas cette capacité, ils peuvent produire des diagrammes inefficaces qui ne vont pas les inciter à persister dans cette voie.
Il s’agit donc de les aider à dépasser ces difficultés et à construire des représentations visuelles dont l’absence peut être un frein à l’apprentissage et à la résolution de problèmes. Une représentation visuelle n’est utile que si l’on dispose des capacités qui permettent d’en tirer avantage.
Il se peut que les élèves rechignent à passer par une représentation visuelle lorsqu’ils n’en perçoivent pas le bénéfice. Il peut être contre-productif de laisser les élèves apprendre par eux-mêmes ces approches.
Il importe donc que dans le cadre d’un enseignement, les élèves soient formés à utiliser et à construire des représentations visuelles. Ces approches bénéficient d’un enseignement explicite. Correctement formés et constatant par la suite l’avantage direct que les représentations visuelles leur procurent, les élèves en feront par la suite une utilisation spontanée. L’usage de représentations visuelles se révèlera précieux dans le cadre de la résolution de problèmes et dans leurs stratégies d’apprentissage.
Mis à jour le 16/01/2023
Bibliographie
Larkin, J. H., & Simon, H. A. (1987). Why a diagram is (sometimes) worth ten thousand words. Cognitive Science, 11 (1), 65 – 100. https://doi.org/10.1016/S0364-0213 (87)80026-5
Oliver Caviglioli, Dual coding with teachers, 2019, John Catt
Anderson, J. R. (1978). Arguments concerning representations for mental imagery. Psychological Review, 85, 249–277.
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