mardi 9 mars 2021

Apprentissages et connaissances préalables

De nombreuses études ont examiné le rôle des connaissances préalables sur l’apprentissage. La plupart d’entre elles n’ont fait que rapporter la corrélation entre les connaissances préalables et les connaissances postérieures. Meilleures sont les connaissances préalables dans un domaine, meilleur sera l’apprentissage ultérieur. Peut-on établir une causalité ? Exploration de la question dans le cadre d’une méta-analyse de Simonsmeier et ses collègues (2018).

(Photographie : Yusuke Takayama)


« Le facteur unique le plus important influençant l’apprentissage est ce que l’apprenant sait déjà » 

Ausubel (1968) 


Types de connaissances préalables


Les connaissances (préalables) d’un individu sont des informations stockées dans sa mémoire à long terme. Ces connaissances préalables sont susceptibles d’être activées et rendues disponibles à la mémoire de travail d’un individu au début de l’apprentissage. 

Une distinction caractéristique largement utilisée entre les types de connaissances est celle faite entre les connaissances déclaratives et les connaissances procédurales :
  • La connaissance déclarative est verbalisable et explicite. Deux sous-types de connaissances déclaratives pertinents sur le plan éducatif sont les connaissances :
    • Factuelles (par exemple, 5 + 2 = 7), qui tendent à se composer d’éléments isolés
    • Conceptuelles, qui tendent à être plus abstraites et interconnectées (par exemple, le principe de commutativité en mathématiques). 
  • La connaissance procédurale consiste en des règles automatisées et implicites qui spécifient quels opérateurs aident à atteindre un objectif. Elle comprend :
    • Des connaissances sur les opérateurs cognitifs, par exemple, comment additionner deux nombres
    • Des connaissances procédurales motrices, par exemple, comment sauter. 




Spécificité des connaissances préalables


Beaucoup de connaissances sont spécifiques à un domaine. Elles constituent une composante de la réussite scolaire, de l’expertise et du développement de compétences spécifiques ultérieures.

Certains domaines sont constitués de nombreuses connaissances isolées, d’autres sont constitués de connaissance à haut degré d’interactivité des éléments. Les connaissances préalables vont faciliter davantage l’apprentissage dans les domaines présentant des degrés d’interdépendance plus élevés que dans les domaines présentant des degrés d’interdépendance moins élevés. Par exemple, le manque de prérequis en mathématiques ou en sciences peut avoir des conséquences négatives plus directes qu’un manque de connaissances dans d’autres disciplines où les connaissances sont plus compartimentées. 

Certaines connaissances sont essentielles à un domaine, d’autres sont d’une importance secondaire. Certaines connaissances s’appliquent à une large gamme de situations, d’autres sont d’une utilité plus étroite ou ponctuelle. Toutes les connaissances préalables n’ont pas la même utilité.

De plus, l’impact des connaissances préalables va dépendre de leur degré de similitude avec les nouveaux apprentissages. Plus les connaissances préalables sont similaires aux nouvelles connaissances, plus il peut être facile pour un apprenant de les utiliser pour apprendre les nouvelles connaissances. 




Dimension facilitatrice


Le contenu de la mémoire à long terme affecte la façon dont les nouvelles informations sont traitées dans la mémoire de travail et par la suite encodées dans la mémoire à long terme.

Les connaissances préalables peuvent avoir un effet positif sur l’apprentissage, car :
  • Elles guident l’attention des apprenants 
  • Grâce à leur activation en mémoire à long terme, elles facilitent la perception et l’interprétation de nouvelles informations.
  • Elles permettent de catégoriser et de regrouper les nouvelles informations en morceaux ou étapes qui peuvent être plus facilement traités et mémorisés.
  • L’encodage de nouvelles informations et facilité par la possibilité de la création de liens pertinents et multiples avec des connaissances préalables.
  • Dans le cadre des stratégies de résolution de problèmes, les connaissances préalables permettent une exploration plus poussée, un comportement orienté vers un objectif et la construction de nouvelles stratégies plus avancées. 
Les caractéristiques de l’approche pédagogique sélectionnée par l’enseignant influencent également la relation entre les connaissances préalables et l’apprentissage. Les interventions pédagogiques conçues de manière à activer, mobiliser et utiliser les connaissances préalables renforcent l’apprentissage, car les élèves ne parviennent souvent pas à activer spontanément les connaissances préalables pertinentes.

Un autre aspect fondamental est que l’approche pédagogique doit prendre en compte la différence entre l’apprentissage visé et les connaissances préalables en matière de charge cognitive. Des exigences cognitives trop élevées seraient alors susceptibles d’inhiber l’apprentissage d’autant plus que l’élève concerné ne dispose pas des connaissances préalables. Une démarche de type enseignement explicite est à ce titre utile. 



L’effet compensatoire et l’effet Matthew 


L’effet des connaissances préalables n’implique pas seulement ce que les apprenants ayant des connaissances préalables élevées ou faibles connaitront à l’avenir. Il implique également la manière dont la variabilité des connaissances dans un groupe d’apprenants changera au fil du temps. 

Lorsque les élèves ayant de faibles connaissances préalables acquièrent plus de nouvelles connaissances que leurs pairs, l’apprentissage réduit les différences préexistantes entre les étudiants. Ce rétrécissement de l’écart entre les élèves plus et moins bien informés au fil du temps a été appelé l’effet compensatoire.

En revanche, lorsque les élèves ayant des connaissances préalables plus élevées acquièrent plus de nouvelles connaissances que leurs pairs, l’apprentissage amplifie les différences préexistantes. Cet élargissement de l’écart entre les élèves plus et moins bien informés au fil du temps a été appelé l’effet Matthew.

D’un point de vue éducatif, l’effet Matthew présente l’inconvénient que l’hétérogénéité progressivement accrue des connaissances peut être associée à une inégalité sociale et culturelle entre les élèves, ce qui entrave l’enseignement. L’enseignement exigeant des connaissances complexes et nombreuses amplifie les différences préexistantes dans les connaissances préalables. Il existe dès lors de fortes corrélations positives entre les connaissances préalables, les connaissances après le test et les gains de connaissances. 




Effet Einstellung, fixité fonctionnelle et transfert négatif


Les connaissances préalables sont des connaissances avant l’apprentissage. Elles sont nécessairement incomplètes ou incorrectes. Dans le cas contraire, il ne serait pas possible d’apprendre quelque chose de nouveau et de pertinent. 

De fait, les connaissances préalables peuvent sont susceptibles d’entraver comme de faciliter la poursuite de l’apprentissage. Les mécanismes médiateurs des effets positifs ou négatifs des connaissances préalables sur l’apprentissage ne s’excluent pas mutuellement. Ils peuvent fonctionner en parallèle et interagir. 

Un cas particulier est l’effet Einstellung. Il a été mis en évidence en 1942 par Abraham Luchins dans une série d’expériences. Il indique la prédisposition d’un individu à prioriser, pour un problème donné, un mode de résolution spécifique qui mène une solution moins efficace, mais bien maîtrisée, même si des approches plus efficaces, simples ou appropriées existent. 

L’effet Einstellung se produit lorsqu’une personne est confrontée à un problème ou à une situation qui est similaire à des problèmes qu’elle a déjà résolus dans le passé. Si la solution (ou le comportement approprié) au problème/situation a été la même lors de chaque expérience passée, la personne apportera probablement la même réponse. Elle ne va pas trop réfléchir au problème, même si une réponse plus appropriée peut être disponible. 

L’effet Einstellung est essentiellement l’un des moyens dont dispose le cerveau humain pour trouver une solution ou un comportement approprié aussi efficacement que possible. Le détail est que bien que la recherche de la solution soit efficace, la solution elle-même ne l’est pas ou pourrait ne pas l’être.

Un phénomène similaire à l’effet Einstellung est la fixité fonctionnelle, mise en évidence par Karl Duncker. La fixité fonctionnelle est une capacité réduite à découvrir une nouvelle utilisation pour un objet, en raison de l’utilisation antérieure de l’objet par le sujet dans un contexte fonctionnellement différent. Elle peut également être considérée comme un biais cognitif qui limite une personne à utiliser un objet uniquement de la manière dont il est traditionnellement utilisé. Le phénomène se produit non seulement avec des objets physiques, mais aussi avec des objets ou des concepts mentaux. Karl Duncker a défini la fixité fonctionnelle comme étant un blocage mental contre l’utilisation d’un objet d’une nouvelle manière qui est nécessaire pour résoudre un problème. La fixité fonctionnelle tient de la difficulté à reconceptualiser une information ou une ressource d’une manière qui permet de résoudre un problème.  

Afin de lutter contre la fixité fonctionnelle, il faut réduire la tendance à concevoir les objets et les concepts comme des prototypes. Cela revient à les analyser et à les décomposer mentalement en leurs composants. Une fois cette opération terminée, il est essentiel d’explorer les fonctions possibles de ces parties. Ce faisant, un individu peut se familiariser avec de nouvelles façons d’utiliser les objets ou concepts qui sont à sa disposition. 

L’effet Einstellung comme la fixité fonctionnelle peuvent être expliqués en tant que raisonnements inductifs. Le raisonnement inductif est l’acte de déduire une règle basée sur un nombre fini d’instances. Les individus ont tendance à choisir une règle raisonnable et à la supposer vraie jusqu’à ce qu’elle ne fonctionne plus. Les sujets savent (consciemment) que la même solution peut ne pas toujours fonctionner, mais ils ont toujours tendance à tester cette solution avant tout autre. Si elle fonctionne, ce sera la première solution trouvée.

Sur le plan neurologique, l’effet Einstellung comme la fixité fonctionnelle peuvent être associés à l’idée de plasticité synaptique et à la règle de Hebb. La règle de Hebb énonce que lorsque deux neurones associés sont activés fréquemment ensemble la force de leur association tend à devenir plus forte, rendant la stimulation future d’un neurone encore plus susceptible de stimuler l’autre. Dans le cadre de l’effet Einstellung, les stimuli sont présentés de telle manière que le sujet se reconnaît comme étant dans une situation qu’il a déjà connue. Il active dès lors la réponse habituelle même si elle n’est pas la plus opportune.

La situation est proche des concepts d’inhibition (systèmes 1 et 2), de discrimination, de focus attentionnel étroit ou de comportements liés à des automatismes. De la même manière, les situations stressantes augmentent la prévalence de l’effet Einstellung. C’est le cas par exemple d’une pression sur le temps ou un accent mis sur la vitesse de résolution. 

De plus, il semble y avoir une relation curviligne entre l’effet Einstellung et l’âge d’un individu. Il est plus élevé chez les enfants, moins élevé chez les jeunes adultes et devient plus élevé chez les adultes plus âgés. En général, d’importants effets Einstellung ont été observés pour tous les groupes de sujets, quel que soit le score de QI. Toutefois, il semble bien y avoir une légère corrélation négative entre l’intelligence et les effets de l’Einstellung.

Il semble également que des individus ayant des connaissances préalables et correctes élevées dans un domaine ont tendance à prêter une attention sélective aux caractéristiques d’une situation qui ont été pertinentes pour résoudre des problèmes dans le passé. Cela augmente la probabilité d’intrusions ou d’interférences impliquant ces éléments dans le même domaine. Il s’agit d’un cas d’un transfert négatif vers un autre domaine. 

Cependant, ce transfert négatif ne pose généralement des problèmes que dans les premiers stades de l’apprentissage d’un nouveau domaine. Avec l’expérience, les apprenants corrigent les effets du transfert négatif. Par exemple, les connaissances très automatisées et correctes des enfants sur les nombres entiers peuvent interférer avec l’apprentissage des fractions, qui se ressemblent, mais diffèrent par des caractéristiques mathématiques importantes.




Conclusions de la méta-analyse


Malgré des décennies de recherche sur l’acquisition des connaissances, nous savons très peu de choses sur la manière dont les connaissances préalables affectent l’augmentation des connaissances des apprenants. 

Simonsmeier et ses collègues (2018) ont réalisé une méta-analyse incluant 240 articles faisant état de 4327 tailles d’effet obtenues auprès de 62 129 participants. Presque toutes les études ont examiné la corrélation entre les connaissances antérieures et les connaissances au post-test, qui était globalement élevée (r = 0,521, 95 % IC [.491, 0,550]). 

La corrélation entre les connaissances préalables et les connaissances postérieures est positive et forte, en général, et le reste face à de nombreux niveaux de modérateurs liés aux connaissances, à l’apprenant et à l’environnement. Les connaissances antérieures permettent de prédire les réalisations ultérieures, tout comme les connaissances ultérieures. La taille de l’effet dans la méta-analyse est équivalente à un d de Cohen de 1,23.

La corrélation entre les connaissances préalables et les connaissances postérieures ne diffère pas entre les faits, les concepts et les compétences cognitives, ni entre les pays, les domaines de contenu et les cadres d’intervention. De même, les connaissances antérieures affectent les connaissances postérieures au test, au moins en partie indépendamment de l’intelligence. 

Les différences individuelles en matière de connaissances sont très stables, de sorte que les connaissances préalables, mesurées avant l’apprentissage, ont un pouvoir prédictif élevé pour les connaissances et les résultats après l’apprentissage. Des essais contrôlés randomisés indiquent que cette relation est causale plutôt que simplement corrélationnelle. Dans l’ensemble, les connaissances antérieures ont eu un effet causal moyen à fort sur les connaissances après l’apprentissage. 

Les différences individuelles en matière de connaissances sont très stables au cours de l’apprentissage. Cela démontre que les connaissances préalables spécifiques à un domaine prédisent mieux que presque toutes les autres variables les différences individuelles en matière de connaissances et de résultats après l’apprentissage. Les différences individuelles accumulées au cours de périodes aussi longues sont difficiles à modifier par de courtes interventions d’apprentissage. 

Cette grande stabilité des différences individuelles en matière de connaissances soutient les théories mettant l’accent sur la nature cumulative à long terme de l’acquisition de connaissances spécifiques à un domaine. Les effets bénéfiques des connaissances spécifiques à un domaine sont spécifiques à ce domaine. Le transfert entre domaines est difficile à réaliser.

Lorsque nous observons le lien entre les connaissances préalables et les gains de connaissances, deux divergences ont été cependant mises en évidence :
  • La corrélation est significativement plus élevée pour les interventions à forte exigence cognitive. Pour les apprenants ayant des connaissances préalables élevées, les exigences cognitives élevées sont des difficultés souhaitables qui les poussent à approfondir et à étendre leurs connaissances. Les apprenants ayant des connaissances préalables faibles n’ont pas les conditions préalables pour le faire. De manière descriptive, il y a un effet Matthieu (corrélation positive) pour l’enseignement avec des exigences cognitives élevées, mais il n’atteignait pas une signification statistique.
  • Un effet compensatoire (corrélation négative) se traduit en un rétrécissement de l’écart entre les connaissances des apprenants au fil du temps uniquement pour l’enseignement avec de faibles exigences cognitives. Les apprenants ayant de faibles connaissances préalables peuvent tirer profit d’un enseignement dont les exigences cognitives sont plus faibles ou adaptées pour prendre en compte la charge cognitive. Cette démarche pédagogique laisse libre une plus grande capacité de mémoire de travail, qui peut ensuite être utilisée pour interpréter et approfondir les nouvelles connaissances. De même, l’évaluation et la prise en compte des connaissances préalables dans une approche pédagogique sont essentielles.



Bibliographie


Ausubel, D. P. (1968). Educational psychology. A cognitive view. New York: Holt, Rinehart and Winston, Inc.

Simonsmeier, Bianca A., M. Flaig and Anne Deiglmayr. “Domain-Specific Prior Knowledge and Learning: A Meta-Analysis.” (2018).

Wikipedia contributors. (2020, October 4). Einstellung effect. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 07:43, December 22, 2020, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Einstellung_effect&oldid=981883845

Wikipedia contributors. (2020, September 5). Functional fixedness. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 06:45, December 22, 2020, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Functional_fixedness&oldid=976933497

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