vendredi 23 août 2019

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

Un postulat important de la théorie de la charge cognitive repose sur la répartition des ressources limitées de la mémoire de travail. Celle-ci est déterminée notamment par la conception pédagogique engagée par l’enseignant. Celle-ci est déterminante dans la mesure où elle conditionne la possibilité et l’étendue des apprentissages.


(Photographie : Lloyd David)


L’enjeu de la théorie de la charge cognitive est de guider la conception de procédures d’enseignement. Le but recherché est de réduire dans des proportions érables l’interactivité des éléments et ainsi mieux répartir la charge de la mémoire de travail. Par ce biais, nous augmentons le transfert des informations à stocker dans la mémoire à long terme.

Nous pouvons distinguer trois types de charges pesant sur la mémoire de travail : 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 la charge intrinsèque et extrinsèque dépassent les capacités de la mémoire de travail, nous nous trouvons en situation de surcharge cognitive. 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, intrinsèque à la matière considérée et à l’individu 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 :
    • L’apprentissage des noms d’une langue étrangère fournit un exemple de charge cognitive intrinsèque faible
    • L’apprentissage de la résolution de problèmes d’algèbre fournit un exemple de charge cognitive intrinsèque élevée.

La charge intrinsèque d’un objet d’apprentissage (savoir, savoir-faire ou compétence) dépend également des connaissances préalables de l’élève considéré, c’est-à-dire de son niveau d’expertise. Elle diminue avec le niveau d’expertise dans le domaine considéré.



Interactivité des éléments


L’interactivité des éléments est un concept central de la théorie de la charge cognitive. 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 les interactions 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.  

Lorsqu’un ensemble de nouvelles informations est :
  • Faible en interactivité :
    • Chaque élément individuel peut être appris sans référence aux autres éléments de la tâche. 
    • Ces contenus d’apprentissages ne sont pas complexes. 
    • Exemples : 
      • Des mots de vocabulaire dans une langue étrangère qui peuvent être étudiés indépendamment les uns des autres.
      • En histoire des faits historiques peuvent eux-mêmes parfois être étudiés séparément.
      • Les symboles du tableau périodique en chimie.
  • Élevé en interactivité :
    • Divers éléments d’information sont liés et doivent être traités simultanément dans la mémoire de travail.
    • Chaque élément interagit avec une multitude d’autres éléments.
    • Il s’agit spécifiquement de tout ce qui concerne la résolution de problème ou la réalisation de tâches complexes. Les cours de mathématiques et de sciences contiennent spécifiquement beaucoup de contenus possédant une interactivité élevée. 
    • Exemples :
      • Lors de l’apprentissage de la mécanique d’un système de freinage hydraulique d’une voiture, il est seulement nécessaire d’apprendre les différents composants du système. Il est également nécessaire de comprendre comment ces composants interagissent les uns avec les autres, de même que comment diagnostiquer et corriger des problèmes de fonctionnement.
      • L’apprentissage de listes de mots de vocabulaire dans une deuxième langue est une nécessité pour accomplir les tâches plus significatives et plus complexes. Il s’agit de la communication dans cette langue, de la compréhension de la littérature dans cette langue ou de la lecture et la rédaction de la correspondance commerciale dans cette langue. Ces tâches vont représenter elles-mêmes une interactivité plus élevée.
      • Si un élève doit apprendre à équilibrer une équation chimique ou à résoudre un problème d’algèbre, aucun élément ne peut varier sans affecter un grand nombre d’autres éléments. Toute modification d’un coefficient dans une équation d’algèbre a des conséquences sur la résolution de l’ensemble de l’équation.
      •  
L’avantage d’évaluer l’interactivité des éléments comme mesure de la complexité est qu’elle tient compte des caractéristiques essentielles de l’architecture cognitive humaine.

Ces différences dans l’interactivité des éléments ont des conséquences sur la mémoire de travail :
  • L’apprentissage des mots d’une langue étrangère est susceptible d’être une tâche difficile et longue, mais elle n’impose pas une lourde charge à la mémoire de travail, car l’interactivité des éléments est faible. 
  • En revanche, apprendre à résoudre un problème d’algèbre tel que (a + b)/c = d, résoudre pour a implique beaucoup moins d’éléments. Mais pour un élève novice en algèbre novice, il peut également être difficile, bien que pour une raison différente. Toute étape pour résoudre le problème d’algèbre a des conséquences sur les autres éléments qui constituent le problème, car ils interagissent et s’influencent mutuellement. 
L’interactivité entre les éléments signifie que tous les éléments doivent être traités simultanément dans la mémoire de travail. La tâche est difficile, non seulement parce qu’il y a beaucoup d’éléments, mais surtout parce qu’il y a beaucoup d’éléments qui doivent être traités simultanément dans la mémoire de travail. 

Une instruction qui est difficile parce qu’elle impose une lourde charge de mémoire de travail a des implications de conception pédagogique. Celles-ci sont très différentes d’une instruction qui est difficile parce qu’elle exige l’assimilation de nombreux éléments qui n’interagissent pas et n’imposent donc pas une lourde charge de mémoire de travail. 



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. Ce sont ses connaissances préalables. Il en dispose sous forme de schémas cognitifs en mémoire à long terme. Il peut les activer à partir de 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 n’y soit stockée. Pleinement automatisée en mémoire à long terme, elle ne présente quasi plus 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 retranscrire 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 représentera un réel obstacle. Comme l’alphabet cyrillique est différent, chacun des symboles devra être mémorisé séparément. 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 nous proposons 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 nous proposons 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 chaque fois.

La complexité ou l’interactivité des éléments dépend d’une combinaison entre la nature de l’information et les connaissances de la personne qui traite l’information. Le mot en russe est susceptible de dépasser les capacités de la mémoire de travail de l’individu testé 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 l’interactivité 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 un novice peuvent être très simples pour un expert.






Comment agir sur la charge intrinsèque ?


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 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 du simple au complexe. Les éléments de contenu sont présentés à l’élève du simple vers le complexe, de sorte que l’élève ne ressent pas frontalement toute la complexité du contenu, mais l’assimile morceau par morceau.
  2. Une deuxième méthode est l’approche « partielle », où les éléments individuels du contenu sont présentés à l’élève en premier, de manière isolée, 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 nous apprenons mieux, en tant que novices, avec une tâche dans laquelle la solution est donnée, que lorsque nous devons trouver la solution sur la base des seuls éléments de l’énoncé :

  • Étudier un problème dont nous avons 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 et créer une surcharge qui bloquera l’apprentissage.

L’expertise modifie l’interactivité des éléments en changeant leur composition.
  • Par exemple, un expert en résolution du problème d’algèbre ci-dessus peut reconnaître immédiatement le problème et sa solution. Il utilise le principe d’organisation et de liaison environnementale pour récupérer les informations de la mémoire à long terme. 
  • L’ensemble du problème et de sa solution peut constituer un seul élément. 
  • De cette manière, l’expertise réduit l’interactivité des éléments et la charge cognitive intrinsèque





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 par tout ce qui est susceptible de venir perturber et distraire 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 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


L’interactivité des éléments est non seulement influente sur la mesure de la charge cognitive intrinsèque, mais elle détermine également la charge cognitive externe.

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 réduire la charge extrinsèque ?


Cette catégorie de charge cognitive est déterminée par les procédures d’enseignement plutôt que par la nature intrinsèque de l’information. Elle peut être modifiée en changeant ces 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.

Certaines procédures pédagogiques exigent des apprenants qu’ils traitent simultanément de nombreux éléments multiples, tandis que d’autres procédures ont les mêmes objectifs d’apprentissage, mais réduisent le nombre d’éléments devant être traités simultanément.

La charge extrinsèque sera allégée si la pédagogie est celle de l’enseignement 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.

L’approche pédagogique est parfois susceptible d’apporter une complexité inutile. Intégrer les contenus à apprendre dans un poster très graphique ou dans un jeu est une option qui peut sembler attractive pour susciter l’intérêt et l’engagement des élèves. Cependant, cela peut mener à des situations où les élèves vont se focaliser sur le design de l’affiche ou sur des éléments anecdotiques comme les mécanismes du jeu.

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 faible. Elle serait bien plus importante dans le cadre de 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.

Reprenons 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.

Une erreur courante consiste à situer les tâches et les questions que nous donnons aux élèves dès le départ dans des contextes réalistes. Ceux-ci ajoutent une charge extrinsèque sur le traitement mental. Il faut le réserver aux moments où ils contribuent à la signification des contenus, lorsque les élèves ont déjà développé une certaine expertise ou lorsqu’ils sont une part prenante de l’apprentissage.





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, par le traitement de l’information. C’est 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 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 favoriser la charge utile ?


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 pertinents 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 et mobilisent à la fois les nouvelles connaissances et les connaissances préalables. 
  • Si un élève se retrouve confronté à plusieurs reprises, distribuées dans le temps, à un contenu de même type, il a été montré que des schémas mentaux se développent mieux, facilitant aussi ses prochains apprentissages. 

Pour favoriser la charge utile, nous enseignons explicitement à l’élève comment résoudre les problèmes visés et nous lui donnons de multiples exemples pratiques et variés pour y arriver. 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.





Visées pratiques de la théorie de la charge cognitive


Lorsqu’un élève doit traiter une tâche, il doit intégrer mentalement des informations différentes, afin de comprendre de façon synthétique, étape par étape, ce qui lui est présenté. 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 arriver, l’enseignant va procéder étape par étape en les emboîtant au fur à mesure que l’information est consolidée 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.

Une difficulté, comme l’écrit Paul A. Kirschner (et coll., 2018) est qu’il n’y a pas de signal sans ambiguïté de la présence d’une surcharge cognitive. Toutefois, nous pouvons nous baser sur des observations comportementales des élèves :
  • Des signes de frustration et d’incompréhension sont probablement des preuves d’une surcharge cognitive. Dans ce cas, il vaut mieux proposer des étapes intermédiaires et simplifier les tâches.
  • Des signes d’ennui ou de perte d’attention pourraient indiquer une sous-charge de la mémoire de travail. Ces élèves peuvent donc déjà continuer à faire des tâches eux-mêmes.


(mise à jour le 29/03/2021)

Bibliographie 


Sébastien 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

Paul A. Kirschner, Luce Claessens & Steven Raaaijmakers, Op de schouders van reuzen, 2018, p 24-27

van Gog T and Sweller J (2015) Not new, but nearly forgotten: The testing effect decreases or even disappears as the complexity of learning materials increases. Educational Psychology Review 27(2): 247–264.

Peps McCrea “Memorable teaching”, 2017

Sharon Tindall-Ford, Shirley Agostinho, John Sweller, Advances in Cognitive Load Theory: Rethinking Teaching, 2019, Routledge

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