mardi 12 octobre 2021

Gérer la charge cognitive dans les limites de la mémoire de travail pour mieux enseigner et apprendre

L’objectif principal de la théorie de la charge cognitive est d’optimiser l’apprentissage de tâches cognitives complexes. Elle transforme les connaissances scientifiques contemporaines sur la manière dont les structures et les processus cognitifs sont organisés (c’est-à-dire l’architecture cognitive) en lignes directrices pour la conception pédagogique.

(Photographie : Mia Tarkela)



Limites de l’architecture cognitive


Un premier point de contrôle est que pour apprendre, les élèves ne peuvent stocker dans leur mémoire de travail qu’un nombre limité de nouvelles informations, 4 +/- 1 selon le modèle de Cowan (2010). De cette manière, ils sont capables de les traiter en rapport avec d’autres connaissances relatives présentes dans leur mémoire à long terme.

Un second point de contrôle est pour enseigner de concevoir des approches qui substituent la charge cognitive productive à la charge cognitive improductive. Concrètement, nous amenons nos élèves à intégrer dans leur mémoire de travail des informations pertinentes pour le traitement cognitif. Nous minimisons dans un premier temps l’usage des informations non pertinentes jusqu’à ce qu’ils apprennent.

Rencontrer ce double point de contrôle demande de prendre en compte l’architecture cognitive utilisée par la théorie de la charge cognitive et les aspects de la tâche d’apprentissage, de l’apprenant et de l’environnement d’apprentissage. 

Voir articles : 

La théorie de la charge cognitive s’intéresse à l’acquisition de connaissances biologiques secondaires et à la manière dont les connaissances biologiques primaires peuvent être utilisées pour faciliter cette acquisition. 

Des compétences biologiquement primaires, telles que le mouvement humain et la collaboration, peuvent être utilisées pour faciliter l’apprentissage de connaissances biologiquement secondaires.




La prise en compte nécessaire des limites de la mémoire de travail


Les limites de la mémoire de travail peuvent ne pas être pertinentes lorsqu’il s’agit :

  • De connaissances biologiquement primaires
  • D’informations familières qui sont déjà bien organisées dans des schémas cognitifs au sein de la mémoire à long terme
  • De tâches très simples qui peuvent être réalisées sans mobiliser de schémas dans la mémoire à long terme. 

Malheureusement, ces conditions sont rarement rencontrées en contexte scolaire. Les connaissances y sont essentiellement biologiques secondaires, elles sont rarement familières et régulièrement complexes pour le commun des élèves.

Les limites de la mémoire de travail sont particulièrement pertinentes dans les situations courantes en classe où les élèves se confrontent à des tâches complexes qui monopolisent fortement les ressources de la mémoire de travail




L’avantage des schémas cognitifs


Les schémas cognitifs sont utilisés pour stocker, organiser et réorganiser les connaissances en mémoire à long terme en incorporant ou en regroupant de multiples éléments d’information en un seul élément ayant une fonction spécifique

Les schémas présents dans la mémoire à long terme ont pu être développés précédemment par une pratique délibérée et intensive. Ils sont susceptibles d’incorporer une énorme quantité d’informations et peuvent être mobilisés sans puiser de ressources dans la mémoire de travail. C’est ce que nous appelons l’automatisation des schémas. Un schéma bien conçu représente un seul élément à traiter, mais contient un réseau riche d’informations interconnectées. 

Voir articles :

Les performances et l’expertise dans un domaine se développent par la construction d’un nombre croissant de schémas de plus en plus complexes en combinant des éléments de schémas de niveau inférieur dans des schémas de niveau supérieur

Pour acquérir de nouvelles connaissances, les élèves doivent s’engager dans une pratique délibérée qui implique la mémoire de travail, c’est-à-dire d’investir un effort mental dans — des tâches d’apprentissage. 




Éviter la surcharge cognitive


Dans une situation d’apprentissage idéale, les ressources de la mémoire de travail utilisées restent en deçà des ressources disponibles. 

La charge cognitive externe peut être causée par :

  • Des aspects liés à la tâche à travers la conception pédagogique
  • Des aspects propres à l’apprenant, comme des pensées intrusives concernant l’échec, un manque de connaissances préalables ou un déficit attentionnel
  • Des aspects de l’environnement d’apprentissage, par exemple, des informations distrayantes ou du bruit dans la classe. 

Selon l’approche de la théorie de la charge cognitive, la charge cognitive intrinsèque (propre au traitement de la tâche) et la charge cognitive extrinsèque (périphérique au traitement de la tâche) s’additionnent. Elles se partagent les ressources limitées de la mémoire de travail.

Les tâches d’apprentissage doivent être conçues de manière à ce que la capacité de la mémoire de travail disponible soit utilisée efficacement. La capacité de traitement est optimisée afin d’obtenir le meilleur retour sur investissement de l’effort mental. 

Dans l’ensemble, cela signifie que la charge extrinsèque doit être minimisée, ce qui peut permettre une augmentation des ressources de travail consacrées à la charge cognitive intrinsèque. 

Historiquement, dans le cadre de la théorie de la charge cognitive, les chercheurs se sont employés à cibler les tâches d’apprentissage par des manipulations de leur conception pédagogique. 

Dans un second temps, les recherches ont suggéré que la capacité de la mémoire de travail disponible pour l’apprentissage est déterminée :

  • Par les caractéristiques liées à la tâche d’apprentissage
  • Par les schémas disponibles dans la mémoire à long terme
  • Par des aspects de l’apprenant et de l’environnement physique. 




Conceptions de la tâche d’apprentissage


Les caractéristiques des tâches d’apprentissage peuvent être utilisées pour gérer la capacité de la mémoire de travail des apprenants et maximiser les résultats d’apprentissage

De nombreuses études se sont concentrées sur la réduction de la charge extrinsèque et elles ont permis de mettre en relief différents principes liés à la théorie de la charge cognitive. 

Parmi ces principes, nous pouvons citer :

Les principes de la théorie de l’apprentissage multimédia vont dans le même sens :




L’élève 


La conception pédagogique peut se concentrer sur l’élève afin de gérer la charge cognitive.

Certaines approches peuvent exiger ou stimuler les élèves à s’engager, à investir plus d’efforts ou à collaborer sur les tâches d’apprentissage afin d’optimiser leur capacité cognitive effectivement disponible.




La mémoire de travail collective


Il est possible de surmonter les limitations individuelles de la mémoire mobile par la collaboration : 

  • Un groupe homogène d’apprenants en collaboration peut être considéré comme un seul système de traitement de l’information. Il est composé de plusieurs mémoires de travail limitées qui peuvent créer un espace de travail collectif plus grand et plus efficace.
  • L’effet de la mémoire de travail collective reflète la constatation que les apprenants en collaboration peuvent profiter de la capacité de la mémoire de travail des autres pendant l’apprentissage. 

Voir article : Apprentissage collaboratif, enseignement explicite et connaissances préalables




Le geste


La recherche suggère que des gestes peuvent soutenir le traitement en mémoire de travail en déchargeant temporairement les ressources de la mémoire de travail normalement consacrées à la maintenance interne de l’information, le geste maintenant physiquement l’information. C’est par exemple le fait de compter les doigts ou d’écrire son raisonnement sur le papier.

Ces gestes libèrent des ressources de la mémoire de travail et permettent de les allouer à d’autres activités d’apprentissage pertinentes.

En outre, des gestes tels que le fait de schématiser peuvent soutenir le traitement de la mémoire de travail par l’incarnation physique d’un processus, d’un concept ou d’un objet. Une fois que le problème à résoudre est recadré dans une autre modalité, les ressources en mémoire de travail sont libérées.




La motivation


La quantité de ressources allouées en mémoire de travail est proportionnelle à la difficulté de la tâche jusqu’à ce que le niveau maximal de ressources en mémoire de travail qu’un individu est prêt à investir soit atteint.

Lorsque nous approchons des limites de la mémoire de travail, l’engagement des ressources demande un effort supplémentaire. La capacité à le fournir est en lien avec la motivation.

Lorsque cette limite supérieure est atteinte ou lorsque la réussite est perçue comme impossible, les apprenants réduisent leur effort mental et, dans certains cas, se désengagent même de la tâche. 

Des indices déclencheurs de motivation peuvent aider les apprenants à investir plus d’efforts. 

Um, Plass, Hayward et Homer (2012) ont analysé l’application de principes de conception émotionnelle positive à un environnement d’apprentissage multimédia (par exemple, l’utilisation de combinaisons de couleurs vives et chaudes). Ils ont constaté qu’elle augmentait la motivation, la quantité d’effort mental déclarée par les apprenants et les résultats d’apprentissage. 

De la même manière, le renforcement positif ou l’existence d’un sentiment d’efficacité personnelle bien développé peuvent favoriser la motivation et faciliter la mobilisation des ressources mentales.




L’environnement d’apprentissage


L’environnement dans lequel les tâches sont effectuées par les élèves affecte également la charge cognitive et sa gestion. 

Des stimuli dans l’environnement physique d’apprentissage peuvent imposer une charge cognitive extrinsèque supplémentaire sur la mémoire de travail des apprenants.

Des exemples de méthodes pour gérer ce phénomène peuvent aider l’apprenant à cesser de surveiller les stimuli non pertinents dans l’environnement qui détournent les ressources de la mémoire de travail : 

  • Visuellement : par exemple, réduire les stimuli captant l’attention, fermer les yeux, etc.
  • De manière auditive : diminuer le bruit ambiant, porter un casque antibruit
  • Sur l’état d’esprit : entreprendre des activités qui améliorent l’état cognitif en diminuant le stress, les émotions négatives ou l’incertitude

Fisher, Godwin et Seltman (2014) ont montré que pendant l’apprentissage dans les cours de sciences, les ressources de la mémoire de travail des enfants étaient consommées par la surveillance involontaire de l’environnement décoré de la classe. Les enfants de la classe décorée étaient moins susceptibles de rester concentrés et ont atteint des résultats de test plus faibles que les enfants d’une classe sans décoration. 

La recherche dans le domaine de la psychologie légale a montré que la fermeture des yeux réduit la charge de la mémoire mentale. Elle améliore la performance dans les tâches de mémoire du témoin oculaire en libérant les ressources de la mémoire mentale qui auraient autrement été impliquées dans la surveillance de l’environnement (Vredeveldt, Hitch, & Baddeley, 2011). 

Glenberg, Schroeder et Robertson (1998) ont fourni une autre démonstration de ce phénomène dans le système visuel. Ils ont montré que la récupération de la mémoire pouvait être améliorée lorsque les sujets détournaient leur regard de leur environnement pendant des tâches cognitivement difficiles. 

Dans les situations de stress, comme les examens à fort enjeu, les ressources de la mémoire de travail sont consommées par les inquiétudes intrusives liées à l’échec, en particulier chez les étudiants très anxieux. Une étude menée par Ramirez et Beilock (2011) a montré qu’une brève tâche d’écriture expressive effectuée immédiatement avant un examen améliorait les performances de l’examen. Elle permet de libérer les ressources de la mémoire vive associées aux inquiétudes liées à l’échec. 




Conclusions 


Les caractéristiques de la tâche d’apprentissage, de l’élève et de l’environnement d’apprentissage peuvent être utilisées dans les décisions de conception pédagogique pour optimiser l’usage des ressources en mémoire de travail de l’apprenant. 

Ces caractéristiques interagissent et devraient toujours être considérées par les concepteurs pédagogiques comme un seul système dans lequel la manipulation d’un aspect a des conséquences sur l’ensemble du système. 

Par exemple, nous pouvons considérer la mise en œuvre d’indices de motivation, comme rendre la tâche plus attrayante et authentique en la contextualisant. Théoriquement, cela pourrait augmenter la volonté des élèves d’y allouer des ressources de leur mémoire de travail. Cependant :

  • Cette démarche peut fonctionner uniquement lorsque cette tâche d’apprentissage n’est pas associée à une charge cognitive intrinsèque d’avance trop élevée.
  • De même, elle dépend du fait que l’environnement attrayant introduit ne comprend pas de stimuli non pertinents qui pourraient créer une charge cognitive extrinsèque plus élevée en soi en attirant involontairement leur attention. 


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Bibliographie


Paas F, van Merriënboer JJG. Cognitive-Load Theory: Methods to Manage Working Memory Load in the Learning of Complex Tasks. Current Directions in Psychological Science. 2020;29(4):394–398. doi:10.1177/0963721420922183

Cowan, Nelson. (2010). The Magical Mystery Four: How Is Working Memory Capacity Limited, and Why?. Current directions in psychological science. 19. 51–57. 10.1177/0963721409359277.

Um, E., Plass, J. L., Hayward, E. O., & Homer, B. D. (2012). Emotional design in multimedia learning. Journal of Educational Psychology, 104, 485–498.

Fisher, A. V., Godwin, K. E., & Seltman, H. (2014). Visual environment, attention allocation, and learning in young children: When too much of a good thing may be bad. Psychological Science, 25, 1362–1370. 

Vredeveldt, A., Hitch, G. J., & Baddeley, A. D. (2011). Eyeclosure helps memory by reducing cognitive load and enhancing visualisation. Memory & Cognition, 39, 1253–1263. 

Glenberg, A. M., Schroeder, J. L., & Robertson, D. A. (1998). Averting the gaze disengages the environment and facilitates remembering. Memory & Cognition, 26, 651–658. 

Ramirez, G., & Beilock, S. L. (2011). Writing about testing worries boosts exam performance in the classroom. Science, 331, 211–213.

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