Quand les élèves n’apprennent pas des démonstrations de leurs enseignants

Les enseignants en sciences ont souvent recours à des démonstrations à travers des dispositifs expérimentaux pour mettre en scène et établir divers principes scientifiques.

(Photographie : Anton Vinogradov)

De même dans le cadre d’un cours de mathématiques ou de sciences, un enseignant peut démontrer une règle, une formule, un principe ou un théorème à l’aide d’une démonstration abstraite. 

La place des expériences dans un cours de sciences

Les sciences permettent de faire aisément le lien entre l’abstraction et des phénomènes concrets.

Il y a un triple sens à cela :

• Prendre en considération les préconceptions naïves des élèves
• Accéder à l’abstraction par des exemples concrets
• Prendre en compte le développement de connaissances tacites liées à ces phénomènes

Les démonstrations liant le concret, la modélisation et l’abstrait sont un élément standard des cours de sciences. La démarche est particulièrement populaire en physique, car les contenus s’y prêtent, et de nombreuses vidéos de ce type circulent sur internet. Elle reste cependant courante également en chimie et en biologie.

Il y a très nettement quelque chose de l’art de la performance pour l’enseignant, une recherche d’authenticité. C’est une façon de montrer l’esthétisme propre à la discipline et susciter de l’intérêt pour celle-ci auprès des élèves. 

Concrètement, cela peut se traduire par des monologues de l’enseignant en classe, parfois théâtraux et sans interaction, si ce n’est de routine. 

Dans le cadre de cet article, nous entendons par démonstration toute explication prolongée de l’enseignant permettant d’introduire de nouveaux éléments de contenus et qui se passe sans interaction ou sans mise en activité signifiante des élèves.

La croyance liée à la pertinence des démonstrations effectuées par un enseignant

Le programme de cours et la formation initiale et continuée des enseignants favorisent souvent l’utilisation de démonstrations en classe et le cours de sciences s’y prête à merveille. 

Les élèves trouvent les démonstrations amusantes, attrayantes, voire passionnantes, ce qui rend le cours moins ennuyeux. De plus, la popularité des démonstrations auprès des élèves incite les enseignants à multiplier dans leurs cours le nombre de démonstrations.

Le processus stimule leur motivation à travers le développement d’un intérêt situationnel. Cela devrait intuitivement se traduire en un engagement plus affirmé et de meilleurs apprentissages. 

Des démonstrations en classe pourraient conduire à une meilleure compréhension des concepts scientifiques et peuvent encourager les élèves à réfléchir en profondeur. Cela pourrait aider les élèves à développer leur réflexion sur des phénomènes du monde réel et leurs connaissances tacites. Ces démarches peuvent contribuer à traduire des idées abstraites en une forme concrète et pratique. 

Il est ainsi généralement admis que les démonstrations aident les élèves à apprendre les sciences et à stimuler leur intérêt. Il ne fait guère de doute que des démonstrations bien réalisées permettent d’atteindre ce dernier objectif. Qu’en est-il du premier ?

Difficultés rencontrées par les élèves face aux démonstrations d’un enseignant

Les recherches sur l’apprentissage des élèves à partir de démonstrations suggèrent que les démonstrations traditionnelles peuvent ne pas aider efficacement les élèves à saisir les concepts scientifiques sous-jacents. 

Catherine Crouch et ses collègues (2004) ont montré que les étudiants qui observent passivement les démonstrations (dans ce cas en physique) ne comprennent pas mieux les concepts sous-jacents. Leur compréhension conceptuelle est équivalente à celle d’étudiants qui ne voient pas du tout la démonstration.

Il semble qu’en dépit de certaines croyances populaires contraires, les étudiants n’apprennent que peu des démonstrations traditionnellement présentées en classe. En effet, un nombre important d’étudiants va oublier la majorité des démonstrations faites en classe. 

Dans le cadre de leurs expériences, tout ce dont les étudiants pouvaient se souvenir était des parties d’une observation ou des fragments d’un concept. Ceux qui s’en souviennent risquent d’être confus quant aux résultats des différentes démonstrations et à leur association avec tel ou tel concept. 

Il apparait que de telles démonstrations peuvent échouer à mettre en évidence et à corriger des idées fausses que les étudiants peuvent avoir en sciences. 

La différence entre perception et interprétation dans l’observation par les élèves d’une démonstration de l’enseignant

Toute observation est une interprétation qui passe à travers une perception.

L’interprétation découle de l’interaction entre la compréhension existante, c’est-à-dire les connaissances préalables des élèves et le monde extérieur, c’est-à-dire le cadre dans lequel les informations sont fournies par les sens.

Ce que nous observons dépend essentiellement de ce que nous connaissons déjà. 

Cela signifie que les élèves qui ne connaissent pas encore les principes scientifiques pertinents auront peu de chances de voir exactement ce que la démonstration doit montrer. Ce que l’enseignant entend leur faire percevoir et interpréter par ce biais restera lettre morte.

Les principes mêmes qui doivent être exposés et compris sont indispensables pour interpréter le phénomène observé. Pour pouvoir reconnaître et comprendre pleinement ce qui est montré, une personne doit être capable de le percevoir. Mais pour cela, il faut maîtriser au préalable le cadre théorique, c’est-à-dire le discours que la démonstration est censée développer.

Les élèves vont percevoir les démonstrations d’un point de vue différent de celui des enseignants, et leur capacité à établir un lien entre la compréhension et le phénomène observé est limitée. Le cas des démonstrations en classe correspond à un cas classique de malédiction de la connaissance (curse of knowledge).

Une démonstration prolongée et sans interaction ou mise en activité adaptée des élèves a peu de chances de générer un apprentissage, car il n’y a pas de traitement cognitif assuré de manière pertinente.

Six dimensions qui interfèrent avec l’apprentissage lors d’un modelage par l’enseignant

 

Roth (et ses collègues, 1997) ont mis en évidence six dimensions qui peuvent empêcher les élèves d’apprendre ce que l’enseignant avait prévu. Voici une version légèrement adaptée de celles-ci :

1. L’absence de cadre théorique permettant aux étudiants de séparer :
• Les signaux : les informations pertinentes qui correspondent à la charge intrinsèque
• Du bruit : les informations non pertinentes qui correspondent à la charge extrinsèque
2. L’interférence des connaissances apprises dans d’autres contextes du cours ou de cours similaires ou celles des préconceptions naïves. 
3. L’interférence d’autres démonstrations et images présentant une certaine ressemblance de surface ce qui amène à des analogies erronées.
4. La difficulté de la constitution de cadres de représentation cohérents à partir des informations données. Les élèves peuvent penser comprendre en écoutant leur enseignant, mais être partiellement dans l’erreur et ressentir une certaine confusion.
5. La faible importance des connaissances liées aux démonstrations lors des tests. La plupart du temps, c’est sur ce qui va suivre, la synthèse théorique et la pratique, que portera l’évaluation. L’élève a la sensation qu’il peut ne prêter qu’une attention distraire à la démonstration et faire moins d’efforts pour la suivre. 
6. Le manque d’opportunités pour les élèves de tester leurs interprétations et générer une explication.

C’est notamment pour pallier de telles difficultés que des théories comme la théorie de la charge cognitive ou la théorie de l’apprentissage multimédia se sont développées. 

C’est également dans ce sens que des pratiques comme celles du modelage ou de la vérification de la compréhension en enseignement explicite sont fondamentales.

Ces démarches pédagogiques se basent toutes sur l’obtention d’un traitement cognitif des contenus par les élèves, soutenu et guidé par un enseignant.

Voir l’enseignement comme pratique sociale dans la conception du modelage

Les recherches sur l’enseignement des sciences montrent que la plupart des étudiants apprennent davantage d’un enseignement qui les engage activement que des méthodes traditionnelles dans lesquelles ils sont des spectateurs passifs.

L’efficacité des démonstrations pour améliorer l’apprentissage dépend fortement du degré d’interaction et d’implication des élèves avec celles-ci.

Si l’article de Roth (et ses collègues, 1997) explore assez peu de solutions pratiques, son intérêt est de présenter l’enseignement comme une pratique sociale.

Une perspective de pratique sociale aide à considérer l’apprentissage comme :

• Une participation à des pratiques liées au fait de concevoir et de manipuler.
• Une séparation entre les signaux et le bruit
• Le développement d’une capacité d’élaboration

Pour partager le sens, enseignant et élèves doivent s’engager et développer des pratiques et modèles ensemble, être capables de dialoguer et de vérifier la compréhension et de réparer les troubles discursifs [malentendus et erreurs] par la rétroaction. 

Transformer la démonstration en pratique sociale consiste en fin de compte à :

• Soit effectuer un modelage comme le préconise l’enseignement explicite
• Soit mettre en œuvre une découverte guidée. 

Au plus les élèves sont novices dans le domaine, au plus le modelage est adéquat. Au plus les élèves sont experts dans le domaine, au mieux ils pourront s’investir dans une activité de découverte guidée. Un continuum existe entre les deux.

L’apprentissage est amélioré par un engagement accru des élèves. Les interactions sont nécessaires :

• Pour que les élèves s’engagent dans un traitement cognitif signifiant 
• Pour que l’enseignant vérifie leur compréhension, qu’il puisse saisir ce que les élèves ne comprennent pas et s’assure que leur charge cognitive soit sous contrôle.

Mobiliser la conception pédagogique au service du modelage

Dans une étude menée dans des cours de physique moderne, Sadaghiani et ses collègues (2004) ont montré qu’un nombre inapproprié et excessif de démonstrations peut conduire à des résultats inefficaces.

Au-delà d’un choix entre une découverte guidée ou un enseignement explicite en tant que vecteur pédagogique pour les démonstrations se pose la question de la conception pédagogique.

Premièrement, certaines démonstrations même lorsqu’elles sont réalisées de manière interactive peuvent n’avoir que peu d’impact sur l’apprentissage. Les démonstrations ne sont pas conçues pour répondre aux difficultés particulières des élèves et le mode de raisonnement sur lequel elles reposent peut leur échapper également.

Certaines démonstrations traditionnelles, certains cheminements à valeur historique peuvent n’avoir qu’un impact limité sur la compréhension des élèves. En ce sens, les démonstrations doivent être sélectionnées et conçues pour répondre aux difficultés des élèves et conduire à une plus grande amélioration de leur apprentissage. 

Deuxièmement, donner aux élèves quelques minutes pour prédire le résultat et enregistrer leurs prédictions est peu exigeant et leur permet de mieux comprendre. Impliquer les élèves en leur faisant prédire le résultat de démonstrations. Ou de phénomènes est une étape simple pour augmenter leur engagement et améliorer l’apprentissage à partir de démonstrations. 

Trouver la juste place de la démonstration dans le cadre du modelage

Les résultats de ces études (Crouch et coll., 2004 ; Sadaghiani et coll., 2004) suggèrent que les démonstrations en classe ne permettent pas à elle seules d’améliorer la capacité des élèves à comprendre et à transmettre les connaissances en physique. 

Il apparait que :

• Les démonstrations efficaces ont besoin de temps. Le fait de mentionner brièvement des idées compliquées peut entraîner une certaine confusion chez les élèves.
• Pour avoir une compréhension conceptuelle d’un processus, un lien significatif entre le concept et l’observation doit être établi. Une évaluation de la compréhension conceptuelle des élèves et un dialogue formatif doivent être effectués lors des démonstrations.

Dans le cas des mathématiques, les enseignants ont tendance à être attachés au principe et à l’art de la démonstration et des théorèmes. Ces derniers sont associés au sentiment de beauté mathématique que certains enseignants en mathématiques peuvent ressentir. Nous pouvons supposer que la problématique est analogue à celle des démonstrations en sciences et sans doute plus marquée en raison de la dimension essentiellement abstraite. Nous pouvons douter qu’elles contribuent à l’apprentissage des élèves si les stratégies sous-jacentes ne sont pas elles-mêmes enseignées.

Mis à jour le 20/11/2023

Bibliographie

W.-M. Roth, C. J. McRobbie, K. B. Lucas, and S. Boutonné, “Why May Students Fail to Learn from Demonstrations? A Social Practice Perspective on Learning in Physics,” Journal of Research in Science Teaching. 34 [5], pp. 509–533 [1997]. 

Crouch, Catherine & Fagen, Adam & Callan, J. & Mazur, Eric. (2004). Classroom demonstrations: Learning tools or entertainment?. American Journal of Physics—AMER J PHYS. 72. 10.1119/1.1707018.

Sadaghiani, Homeyra & Bao, Lei. (2004). Lecture Demonstrations in Modern Physics: Quality vs. Quantity. 720. 10.1063/1.1807281.