mardi 13 août 2019

Théorie de la charge cognitive : origine, principe et architecture cognitive

Pourquoi la théorie de la charge cognitive est-elle considérée comme une théorie de l’apprentissage essentielle à l’origine de principes directement applicables à l’enseignement et qui permettent d’en améliorer l’efficacité ?
(Photographie : Ki Choquette)


Fondements et importance de la théorie de la charge cognitive


Importance

La théorie de la charge cognitive a été élaborée à partir de la fin des années 1980, par John Sweller et ses collaborateurs.

Cette théorie s'intéresse plus particulièrement à interpréter en lien avec la conception pédagogique, les situations d'échec ou de réussite, rencontrées par des apprenants dans des activité d’apprentissages. 

Elle prend en compte les processus cognitifs impliqués dans l’apprentissage en lien avec les supports et démarches pédagogiques mobilisées.

La théorie de la charge cognitive a nourri et alimente toujours de nombreuses recherches, qui l'alimentent au fil du temps de développements supplémentaires significatifs. 

Elle se révèle particulièrement utile aux enseignants, aux pédagogues et aux concepteurs de supports pédagogiques. Elle leur propose des principes et met en évidence des effets dont les implications sont facilement applicables et déclinables en situation d’apprentissage. Plus spécifiquement, elle apporte divers fondements théoriques à l'enseignement explicite.


Idée générale sur l'apprentissage


L'idée générale de la théorie de la charge cognitive est que la conception pédagogique peut être mobilisée pour réduire la charge cognitive chez les apprenants novices dans un domaine considéré et soutenir leurs apprentissages (Paas et coll, 2016).

D'un point de vue cognitif, l'enjeu est de tenir davantage compte :
  • De la capacité de stockage d’informations en mémoire de travail
  • De l’intégration de nouvelles informations en mémoire à long terme, 


Principe général de conception pédagogique


À partir de la fin des années 1980, John Sweller et ses collaborateurs ont commencé le développement de la théorie de la charge cognitive en étudiant spécifiquement la résolution de problèmes (Sweller, 1988) :
  • Face à un problème à résoudre, les apprenants novices mobilisent souvent par défaut une stratégie de résolution de problèmes peu efficace appelée analyse moyens-fins. Les experts quant à eux, font appel directement à des stratégies spécifiques qu'ils ont intégrées à leur mémoire à long terme.
  • La résolution de problèmes par l’analyse moyens-fins nécessite une capacité de traitement cognitif relativement importante, qui peut ne plus être consacrée à la construction de schémas, c'est-à-dire à l'apprentissage.
  • Dès lors, certaines approches de la résolution de problèmes peuvent interférer avec le processus de construction des schémas chez les apprenants novices, au point d’empêcher l’apprentissage. C’est-à-dire que bien que l’apprenant ait résolu le problème qui lui a été soumis, il n’aura rien retenu de signifiant sur la méthode qui lui a permis d’y arriver. 
La théorie de la charge cognitive propose d’interpréter ce résultat en matière de dépassement des ressources disponibles, de surcharge cognitive. Elle propose des approches alternatives de l'apprentissage de la résolution de problèmes (dont l'étude de problèmes résolus) qui vont au contraire permettre d'optimiser l'apprentissage et ménageant la charge cognitive.

Selon la théorie de la charge cognitive, pour des apprenants novices, les concepteurs de supports pédagogique doivent limiter toute charge cognitive inutile, appelée charge extrinsèque, qui ne contribue pas directement  à l’apprentissage, lorsqu’ils élaborent du matériel didactique impliquant une forme de résolution de problèmes. Parallèlement, ils doivent optimiser la charge cognitive utile, appelée charge intrinsèque. Celle-ci qui concerne directement les informations nouvelles sur les apprentissage à réaliser. Elle doit être segmentée pour ne pas provoquer de surcharge cognitive.



Quatre notions clés liées à la théorie de la charge cognitive


Un système cognitif partagé entre mémoire de travail et mémoire à long terme


La théorie de la charge cognitive considère une structure du système cognitif composé :
  • D’une mémoire de travail à capacité limitée : 
    • Tous les traitements et pensées conscientes qui permettent les apprentissages y ont lieu.
  • D’une mémoire à long terme à capacité illimitée possédant : 
    • Elle possède un nombre important de schémas automatisés.

Une distinction entre connaissances biologiques primaires et secondaires


La théorie de la charge cognitive s’appuie sur la distinction entre connaissances biologiques primaires et secondaires avancée par David Geary (voir article).

Selon la théorie avancée par David C. Geary, la plupart des enfants acquièrent des compétences naturelles — comme apprendre à écouter et à parler une langue maternelle — sans école ni instruction. Nous avons spécifiquement évolué pour acquérir automatiquement de telles connaissances. C’est ce qu’on appelle les connaissances biologiquement primaires.

Mais il existe une autre catégorie de savoirs — les savoirs biologiquement secondaires, que nous n’avons pas évolué pour acquérir. Il comprend pratiquement toutes les matières enseignées dans les écoles, de la lecture et de l’écriture aux sciences et aux mathématiques.

La théorie de la charge cognitive concerne l’acquisition de connaissances secondaires.


L'importance de l'expertise et des schémas en mémoire à long terme


La théorie de la charge cognitive s’appuie sur les résultats des recherches sur le développement de l’expertise. Elle postule que l’organisation des connaissances en mémoire à long terme sous forme de schémas constitue une caractéristique fondamentale distinguant les experts des novices. 

À la différence de la théorie de l’expertise, elle s’intéresse principalement au rôle de la mémoire de travail dans l’acquisition et l’utilisation des schémas. 


La prise en compte de la charge cognitive lors de l'apprentissage


La compréhension nécessite de maintenir les unités d’information actives simultanément en mémoire de travail. De même, l’apprentissage de connaissances secondaires passe par une réorganisation des connaissances maintenues actives en mémoire de travail. Pour cela, le maintien des éléments à apprendre en mémoire de travail est une condition nécessaire à l’apprentissage.

La théorie de la charge cognitive vise à expliquer les effets de la charge de traitement de l’information induite par les tâches d’apprentissage. Celle-ci peut affecter la capacité des élèves à traiter de nouvelles informations et à construire des connaissances en mémoire à long terme.

Si les éléments à apprendre sont trop nombreux, alors l’apprentissage sera moins efficace. Nous sommes alots en surcharge cognitive.

Du point de vue de la charge cognitive, l’apprentissage repose donc en grande partie sur :
  • La gestion efficace de la mémoire de travail pour y parvenir.
  • L’établissement d’une mémoire à long terme.



Les difficultés d’acquisition des connaissances biologiques secondaires


Les élèves peuvent acquérir des connaissances secondaires de deux façons :
  1. Le plus facile et le plus rapide est d’écouter les autres ou de lire, d’apprendre par imitation.
  2. Si d’autres personnes ne sont pas disponibles, des connaissances secondaires peuvent être découvertes au cours de la résolution de problèmes, par exemple en faisant de la recherche. Cette approche même si elle fonctionne ne devrait être utilisée que lorsque nous ne pouvons pas obtenir d’autres personnes l’information dont nous avons besoin.
Quelle que soit la façon dont elle est acquise, la nouvelle information secondaire doit d’abord être traitée par notre mémoire de travail.



Rôles et limites de la mémoire de travail dans le cadre de la théorie de la charge cognitive


Nous utilisons la mémoire de travail lorsque nous prêtons attention à quelque chose. Mais cette ressource mémoire est très limitée en capacité et en durée.

La prémisse de base de la théorie de la charge cognitive est que le traitement cognitif humain est fortement limité par notre mémoire de travail. Celle-ci ne peut traiter qu’un nombre limité d’éléments d’information à la fois (voir articles sur la mémoire à court terme, la mémoire de travail et le pilotage de l’attention). 

Lorsqu’elle est confrontée à de nouvelles informations secondaires, la mémoire de travail ne peut traiter qu’environ deux ou trois éléments, voire quatre, nouvelles unités d’information à la fois et pendant seulement 20 secondes environ.

La charge cognitive est accrue lorsque des exigences élevées et parfois inutiles sont imposées au système cognitif. Si la charge cognitive devient trop élevée, elle entrave l’apprentissage et le transfert.

Une telle situation peut être entrainée par :
  • Une méthode d’enseignement inadéquate pour enseigner aux élèves un sujet
  • Des distractions inutiles de l’environnement.
  • La complexité intrinsèque de la matière enseignée. 



Rôle et importance de la mémoire à long terme dans le cadre de la théorie de la charge cognitive


Une fois que les nouvelles informations ont été traitées par la mémoire de travail, elles peuvent être transférées dans une mémoire à long terme.

Lorsqu’il s’agit d’informations familières et organisées conservées dans la mémoire à long terme (voir article), il n’y a pas de limite connue de capacité ou de durée pour la mémoire de travail. 

La disponibilité immédiate de grandes quantités d’informations organisées à partir de la mémoire à long terme fait que la mémoire de travail n’a effectivement pas de limitations lorsqu’il s’agit de traiter de telles informations. L’information qui a été traitée dans la mémoire de travail et stockée dans la mémoire à long terme peut être transférée de nouveau à la mémoire de travail. Elle peut générer une action et une pensée appropriées à un contexte donné.

Le concept de schéma est central dans la théorie de la charge cognitive parce qu’il permet de traiter des structures de connaissances complexes comme des unités simples de mémoire. L’acquisition de schémas en mémoire à long terme est le but du processus d’apprentissage dans la perspective de la théorie de la charge cognitive.

Ainsi, les élèves sont transformés lorsque l’information est transférée à la mémoire à long terme, ce qui explique pourquoi l’éducation est transformatrice. La fonction principale de l’enseignement est de permettre aux apprenants d’accumuler des informations critiques dans leur mémoire à long terme.

Comme les contenus enseignés aux élèves sont essentiellement neufs pour eux, ils doivent être présentés d’une manière qui tienne compte des limites de la mémoire de travail.

Toute théorie pédagogique qui ignore les limites de la mémoire de travail pour des informations nouvelles ou qui ignore la disparition de ces limites lorsqu’il s’agit d’informations familières a peu de chances d’être efficace.

Proposer à un élève d’apprendre de nouvelles connaissances au moyen de la résolution d’un problème pour lequel elle ne dispose d’aucune connaissance préalable pertinente constitue une méthode d’enseignement inefficace.

La théorie de la charge cognitive remet en cause la conception selon laquelle les schémas s’acquièrent par l’action. Il est erroné de considérer qu’au plus un novice rencontrerait et tenterait de résoudre un grand nombre de problèmes, au plus il apprendrait et au plus il pourrait élaborer des schémas en mémoire.



Comprendre l’importance des schémas dans le cadre de la théorie de la charge cognitive


Selon la théorie de la charge cognitive, les schémas servent :
  • D’une part, à organiser la très grande quantité des connaissances en mémoire à long terme
  • D’autre part, à rendre possible la réalisation de tâches complexes.
Plus grandes sont la quantité et la complexité des informations organisées qui peuvent être transférées de la mémoire à long terme à la mémoire de travail, plus importante est la complexité des situations qu’il est possible de traiter.

Sans avoir la possibilité d’activer des schémas pertinents en mémoire de travail pour répondre aux exigences de la tâche, un expert n’est plus un expert. Il doit alors recourir aux stratégies générales de résolution de problèmes, de la même façon qu’un novice.

Le rôle principal des schémas est donc de permettre à un individu de dépasser les limites de sa mémoire de travail.

L’efficacité des schémas à remplir ce rôle va dépendre de leur degré d’automatisation. Chaque schéma automatisé permet de libérer des ressources cognitives pour l’acquisition de nouveaux schémas. Au plus nous connaissons d’informations sur un sujet, au plus facile il nous est d’apprendre des informations supplémentaires sur le même sujet.

L’acquisition et l’automatisation de schéma permettent à la mémoire de travail de traiter de grands ensembles d’informations et de favoriser l’apprentissage.

L’automatisation permet progressivement à l’individu de réaliser des tâches de plus en complexes sans dépasser la capacité de sa mémoire de travail. Les schémas qu’il acquiert permettent de traiter un très grand nombre d’informations comme s’il s’agissait d’une seule unité signifiante, soit un « chunk ».

Un exemple mis en évidence par André Tricot (2020) :

Par exemple, « calculer 3 paquets de 10 gâteaux » ou « calculer 10 paquets de 3 gâteaux » ne présente pas la même exigence pour des élèves de CE1. Calculer 10 + 10 +10 est peu exigeant, par rapport à 3 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3. Passer par la multiplication fait baisser la charge, dans les deux cas, encore faut-il maitriser la multiplication. Ceci a été montré par deux chercheurs en psychologie cognitive.

Les novices, que sont les élèves, n’ont pas encore développé les schémas qui permettent aux experts de résoudre des problèmes complexes. Ils ont besoin que l’enseignant les guide pour structurer les apprentissages de la simplicité vers la complexité, de façon à leur fournir un substitut aux schémas qui leur manquent. Ceci permet alors de libérer de l’espace dans leur mémoire de travail pour rendre l’apprentissage possible.



Idées essentielles pour la mise en pratique de la théorie de la charge cognitive


L’architecture cognitive


Ashman (et coll., 2019) résume le modèle de l’architecture cognitive qui sous-tend la théorie de la charge cognitive en cinq idées essentielles  : 
  1. La grande majorité des connaissances scolaires (connaissances biologiques secondaires) est obtenue à partir d’explications d’une personne par le biais de l’écoute, de la lecture ou de la vision. C’est une approche de l’apprentissage efficace.
  2. Lorsque des explications ne peuvent être obtenues de telles manières auprès d’autres personnes, les connaissances peuvent être construites par la personne en utilisant un processus de génération (par découverte) ou de test aléatoire (par essais et erreurs). Cette approche de l’apprentissage est moins efficace que la première.
  3. Les connaissances acquises sont susceptibles d’être stockées dans une mémoire à long terme. La mémoire à long terme n’a pas de limites de capacité connues. 
  4. Pour que de nouvelles connaissances scolaires puissent être acquises, elles doivent d’abord être traitées dans une mémoire de travail. La mémoire de travail a une capacité et une durée limitée pour le traitement de nouvelles informations. Si le traitement cognitif est réussi, des connaissances peuvent être transférées dans la mémoire à long terme. 
  5. Lorsque des connaissances sont traitées par la mémoire de travail et stockées dans la mémoire à long terme, elles restent disponibles, mais susceptibles d’être oubliées. Ces connaissances stockées en mémoire à long terme peuvent être transférées à nouveau dans la mémoire de travail pour régir l’action appropriée aux circonstances existantes. La mémoire de travail n’a pas de capacité connue ni de contraintes temporelles lorsqu’elle traite des connaissances transférées depuis la mémoire à long terme.


Comprendre (à court terme) et apprendre (à long terme)


David Didau (2019) propose de mettre en avant deux idées essentielles de la théorie de la charge cognitive qu’il est important que les enseignants comprennent et appliquent.

Premièrement, l’idée est de diminuer la difficulté de tâches nouvelles suffisamment pour que les élèves puissent : 
  1. Les comprendre :
    • Le fait que les élèves comprennent quelque chose en classe ne donne aucune certitude sur le fait qu’ils vont être capables de le réutiliser une semaine plus tard. 
  2. Les apprendre :
    • Le fait que les élèves l’apprennent en classe en plus de le comprendre offre plus nettement cette potentialité de réutilisation ultérieure.


Gérer la charge cognitive


Selon David Didau (2019), la charge cognitive des élèves peut être réduite à deux idées fondamentales :
  1. L’importance d’offrir un soutien sous forme de modelage et d’étayage temporaire :
    • Soutien et étayage permettent aux élèves de consacrer une part plus importante de leurs ressources cognitives en mémoire de travail à l’apprentissage. 
    • Toutefois, ces apports sont temporaires. Une fois que les élèves commencent à bien se débrouiller et avant que ne s’installe une dépendance, il faut les retirer progressivement afin de promouvoir l’internalisation de l’aide, une responsabilisation et une autonomie face aux apprentissages. 
    • Lorsque les élèves deviennent familiers avec les tâches à réaliser, un soutien ou un étayage supplémentaires peuvent en réalité augmenter la charge cognitive et diminuer l’apprentissage.
  2. L’importance de passer du simple au complexe : 
    • Nous commençons par une version facile ou partielle d’un problème et progressons au fur et à mesure vers une forme plus difficile ou complète.
    • Nous limitons le temps que les élèves consacrent à une tâche. Plus ils travaillent longtemps, c’est-à-dire au plus ils sont ralentis, plus la charge cognitive qu’ils risquent de rencontrer est grande. L’épuisement de la mémoire de travail peut entraîner ​un épuisement des ressources cognitives après un effort cognitif​ (Chen et coll., 2018).  
      • Si la durée d’une tâche précise est réduite, sa complexité peut être augmentée.
      • Si la durée d’une tâche précise est longue, sa complexité devrait être amoindrie.

Si les enseignants intègrent dans leur pratique ces différentes idées, leurs élèves sont susceptibles d’en apprendre davantage. S’ils ne le font pas, les enfants et adolescents — en particulier les plus défavorisés — risquent d’en souffrir.

Aucune de ces idées n’est particulièrement surprenante ou controversée. Toutefois, certaines des idées fondamentales portées par la théorie de la charge cognitive vont à l’encontre des théories de l’apprentissage liées au constructivisme ou à l’Éducation nouvelle. Celles-ci suggèrent que les élèves sont plus susceptibles d’apprendre s’ils découvrent de nouveaux contenus par eux-mêmes.



Mis à jour le 23/09/2023


Bibliographie


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Martin, A. J. (2016). Using Load Reduction Instruction (LRI) to boost motivation and engagement. Leicester, UK: British Psychological Society.

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John Sweller, I had an idea in the 1980s and to my surprise, it changed education around the world, 2019, https://theconversation.com/i-had-an-idea-in-the-1980s-and-to-my-surprise-it-changed-education-around-the-world-126519

David Didau, What do teachers need to know about Cognitive Load Theory?, 2019, https://learningspy.co.uk/psychology/what-do-teachers-need-to-know-about-cognitive-load-theory/

André Tricot, Qu’est-ce que la charge cognitive, 2020, https://synapses-lamap.org/2020/01/07/interview-quest-ce-que-la-charge-cognitive/

Ashman, Greg & Kalyuga, Slava & Sweller, John. (2019). Problem-solving or Explicit Instruction: Which Should Go First When Element Interactivity Is High?. Educational Psychology Review. 10.1007/s10648-019-09500-5.

Paas, Fred G. W. C.; Van Merriënboer, Jeroen J. G. (23 November 2016). "The Efficiency of Instructional Conditions: An Approach to Combine Mental Effort and Performance Measures". Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society. 35 (4): 737–743.

Chen, Ouhao & Castro-Alonso, Juan & Paas, Fred & Sweller, John. (2018). Extending Cognitive Load Theory to Incorporate Working Memory Resource Depletion: Evidence from the Spacing Effect. Educational Psychology Review. 30. 483-501. 10.1007/s10648-017-9426-2. 

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