Les données relatives de la recherche liées aux stratégies visant à optimiser la charge cognitive sont prometteuses pour améliorer la qualité de l’enseignement et de l’apprentissage des élèves.
(Photographie : Ray Ewing)
Il existe de multiples stratégies pédagogiques qui cherchent à réduire ou à optimiser la charge de la mémoire de travail. Nous allons en développer certaines explorant la piste de l’étayage.
La stratégie de l’étayage
La stratégie de l’étayage consiste à fournir une aide sous forme d’indices, de conseils, d’instructions ciblées, des modèles, d’outils appropriés ou d’une organisation de l’information.
Nous visons à aider les élèves à faire face aux exigences des tâches en matière de ressources en mémoire de travail. Nous visons à alléger la charge cognitive ou à en améliorer sa gestion.
Ces stratégies aident les élèves à résoudre un problème ou une tâche complexe. Elles attirent leur attention sur la structure schématique centrale du processus ou des connaissances liées.
Elles peuvent prendre la forme de :
- L’activation des connaissances antérieures
- La clarification des mots difficiles
- La fourniture d’explications ciblées
- Les représentations schématiques ou structurelles des contenus
- La formulation de l’idée principale
- L’utilisation de calculatrices graphiques ou de tablettes équipées.
- La fourniture de supports qui facilitent la gestion des informations pendant l’activité.
Par exemple, lors de ses explications orales, un enseignant découpe les contenus en sections gérables. Il s’arrête et prend le temps d’expliciter les concepts difficiles aux élèves de la classe. Il guide la prise de notes de ses élèves, par exemple grâce à un support de cours à compléter. Ces démarches facilitent l’identification des concepts et de les structurer en une séquence logique afin de faciliter la compréhension et l’apprentissage.
Prendre en compte la complexité des contenus scolaires dans la définition des objectifs d’apprentissage
Nombre d’objectifs pédagogiques et de contenus issus des programmes scolaires sont potentiellement susceptibles de surcharger dans un premier temps la mémoire de travail de nos élèves, s’ils sont présentés d’emblée et tels quels.
La segmentation et le séquençage sont des pistes évidentes. Cependant, tous les contenus ne se prêtent pas nécessairement à des solutions définies, étape par étape, qui peuvent être étayées par des exemples concrets et des problèmes résolus.
Toutefois la logique de l'étayage reste applicable dans tous les cas. Il existe de nombreuses techniques utilisées par les enseignants pour soutenir les élèves. Beaucoup d’entre elles sont conçues :
- Pour focaliser l’attention des élèves sur des informations clés
- Pour les guider dans les étapes d'un processus
- Pour les aider à organiser des informations.
L’objectif de la transformation des objectifs pédagogiques en objectifs d’apprentissage est également que leurs énoncés puissent réduire la charge cognitive et aider les apprenants à naviguer dans les exigences de la tâche pour la mémoire de travail.
Toutefois, les objectifs d'apprentissage doivent être déconnectés du contexte d'apprentissage et de la méthodologie utilisée. Tout l'équilibre pour l'enseignant en matière d'étayage sera de concevoir la succession des objectifs d'apprentissage de manière à faciliter leur enseignement et leur apprentissage tout en n'y inscrivant que l'essentiel. Ainsi, l'étayage se partage entre la conception des objectifs d'apprentissage et celle de leur enseignement.
Données probantes et limites en lien avec l’utilisation de l’étayage
Donnes probantes en soutien à l’étayage
Cette approche couvre un grand nombre de pratiques différentes.
Malgré la diversité des approches, il existe des preuves cohérentes que l’étayage, des conseils et un soutien basé sur des schémas bien ciblés constituent une approche efficace. Ils peuvent aider les élèves de 8 à 16 ans, à résoudre des problèmes ou à apprendre à partir de tâches complexes.
Les études couvrent un certain nombre de matières différentes, notamment les mathématiques, la lecture, l’histoire et les sciences. Les preuves suggèrent que l’étayage, les conseils ou les supports basés sur des schémas aident efficacement les élèves à résoudre des problèmes ou à apprendre à partir de tâches complexes. La stratégie de l’étayage parait largement applicable.
Limites à l’étayage
La pratique de l’étayage n’est pas universellement bonne. Tous les messages d’encouragement ou les indices pendant les tâches d’apprentissage ne réduisent pas et n’optimisent pas nécessairement la charge de la mémoire de travail des élèves.
Les indices doivent être ciblés de manière à fournir un soutien pédagogique impliquant des éléments clés des problèmes à résoudre, par exemple des explications sur le vocabulaire difficile.
De plus, il y a le risque de l’inversion de l’expertise. Une réduction du niveau de soutien ou d’étayage au fur et à mesure de l’apprentissage est bénéfique pour les élèves.
De même, les élèves qui possèdent déjà de solides connaissances de base sont moins susceptibles, par exemple, de bénéficier de la fourniture de définitions de termes clés. Le fait de fournir un soutien est susceptible d’augmenter la charge cognitive chez eux. Le niveau d’expertise détermine l’efficacité des approches d’étayage. Au plus l’expertise augmente dans un domaine au moins l’étayage sera utile.
L’importance d’un effacement progressif de l’étayage
Lorsque le retrait de l’étayage est introduit progressivement, il est plus efficace. Il doit s’adapter à l’évolution des connaissances des élèves plutôt que de s’estomper à un rythme fixe.
L’un des risques identifiés par les enseignants en matière d’étayage est que les élèves en deviennent dépendants ce qui nuit à la progression de leurs apprentissages. Un suivi attentif de la progression de la maitrise des élèves et une réduction progressive de l’étayage peuvent réduire le risque de dépendance.
Si les connaissances préalables sont un facteur important pour favoriser l’apprentissage, des effets d’inversion de l’expert peuvent se produire. Cela implique la nécessité d’estomper progressivement le soutien à mesure que les connaissances se développent. Cette démarche repose sur le raisonnement suivant :
- L’étayage de l’apprentissage aide à déplacer les demandes de ressources en mémoire de travail, de la charge cognitive extrinsèque vers la charge cognitive intrinsèque.
- Ce processus facilite le développement de schémas et le stockage d’informations dans la mémoire à long terme.
- Le développement des schémas et l’accroissement des connaissances en mémoire à long terme dans un domaine permettent de soulager la demande en ressources pour la mémoire de travail.
- La conséquence directe de ce processus est que les apprenants ont besoin d’une quantité décroissante de soutien au fur et à mesure de leurs apprentissages dans un domaine.
- L’étayage et le soutien devraient par conséquent être progressivement réduits pour optimiser la charge cognitive.
Il existe différentes recherches qui ont exploré cette question. Parmi celles-ci, nous pouvons citer les suivantes :
McNeill et ses collègues (2006) ont cherché à savoir si un soutien pédagogique écrit continu ou un soutien pédagogique écrit estompé préparerait mieux les élèves de 11-12 ans en sciences à rédiger de manière autonome des explications scientifiques. Ils ont constaté que le groupe ayant bénéficié d’un soutien progressivement estompé donnait des explications plus solides, ce qui conforte ce type d’enseignement.
Salden et ses collègues (2008) ont comparé l’effet de problèmes à compléter qui se produisaient de manière prédéterminée ou qui étaient adaptés à la compréhension des exemples par les étudiants individuels par un tuteur logiciel intelligent. Ils ont constaté que l’option d’effacement adaptatif améliorait l’apprentissage par rapport à l’effacement fixe. Ils ont plaidé en faveur de l’adaptation de la procédure d’effacement de l’étayage à l’évolution du niveau de connaissances de chaque étudiant.
Glogger-Frey et ses collègues (2015) ont examiné les effets de l’étude de problèmes résolus par opposition à un problème à résoudre, sur l’apprentissage des ratios en physique par des élèves de 12-13 ans. Ils ont constaté que l’étude de problèmes résolus préparait les apprenants à apprendre et à transférer leurs compétences à de nouveaux problèmes d’une meilleure manière que les problèmes à résoudre. Ils ont expliqué ce phénomène par une charge extrinsèque plus faible dans le cas des problèmes résolus.
Dans une autre étude, Glogger-Frey et ses collègues (2017) ont doublé le nombre de tâches (problèmes à résoudre ou étude de problèmes résolus). Ils ont constaté que l’autorégulation (problèmes à résoudre) a conduit à un transfert plus élevé parce que les élèves ont consacré plus d’attention à la structure profonde des tâches de préparation. Sur cette base, ils concluent que certaines pratiques autorégulées surpassent la préparation guidée pour l’apprentissage à partir d’un enseignement explicite prolongé. Ce résultat souing l’importance de la pratique autonome et de l’intégration d’une phase de découverte guidée après un enseignement explicite comme le promeut le modèle LRI (Load Reduction Instruction).
Segmentation et séquencement en enseignement explicite
La décomposition étape par étape des contenus à enseigner est un équilibre à trouver entre deux tendances :
- La segmentation des informations nouvelles :
- L’enjeu est de viser à réduire la charge cognitive ressentie par les élèves, par le biais d’une présentation fractionnée des contenus à enseigner.
- Lorsque la charge cognitive est à l’intérieur des limites de la mémoire de travail des élèves concernés par les informations nouvelles, l’apprentissage peut mieux se dérouler.
- Le séquençage des informations nouvelles :
- L’enjeu est de viser à faciliter l’intégration par les élèves, de nouvelles connaissances en mémoire à long terme en lien avec leurs connaissances préalables.
- Lorsque les contenus sont découpés, il y a un risque de fractionnement de l’attention lié à la difficulté de relier et d’intégrer chacun des segments entre eux.
- La logique du séquençage des fragments doit elle-même soutenir l’apprentissage.
La segmentation considère l’idée d’enseigner individuellement des sous-tâches ou des sous-concepts avant de les rassembler et de les intégrer. Le séquençage s’intéresse à l’ordre et à la progressivité des segments.
Le séquençage fait plus particulièrement partie de la réflexion et de la théorie générales sur la gestion de la charge cognitive dans les tâches complexes et dans des domaines d’interactivité des éléments élevée.
Lorsque les connaissances nouvelles ont peu de liens entre elles, le séquençage est aisé. Lorsqu’elles sont très reliées entre elles, le choix du séquençage devient plus complexe et crucial.
Une question clé est prendre en compte la relation entre :
- Le principe de l’attention partagée : pour lequel l’intégration des informations en un seul endroit conduit à une charge cognitive plus faible.
- Le séquençage ou la segmentation : pour lesquels la division des informations aide à gérer la charge cognitive globale.
Cette problématique se résume en une phrase : Quels segments constituer et dans quel ordre les séquencer dans le cadre d’un enseignement explicite ? Sa réponse est spécifique à la nature des contenus à enseigner.
Divers exemples issus de la recherche montrent que les choix posés par l’enseignant dans sa conception didactique et pédagogique ne sont pas neutres :
Un premier exemple est celui de l’enseignement du vocabulaire au préscolaire. L’usage de livres d’images y est un moyen efficace de soutenir l’apprentissage des mots par les enfants d’âge préscolaire :
- L’enseignement se fait souvent pendant la lecture du livre, mais cela peut augmenter la charge cognitive par rapport à l’enseignement du vocabulaire avant ou après la lecture du livre.
- Si l’enseignement dispensé pendant l’histoire augmente la charge cognitive, les enfants peuvent être plus dépendant de capacités cognitives auxiliaires pour réussir à apprendre les mots tout en cherchant à comprendre l’histoire.
- L’apprentissage des mots et la compréhension de l’histoire étaient similaires dans les conditions intérieures et extérieures.
- Les capacités de mémoire étaient des prédicteurs plus forts de l’apprentissage des mots dans la condition interne que dans la condition externe.
Un deuxième exemple est celui de Kester et ses collègues (2005) qui ont traité de l’effet des informations séquentielles, étape par étape auprès d’élèves du secondaire (âge moyen de 15 ans). Leur étude traite de l’effet de la présentation d’informations déclaratives et d’informations procédurales de manière séquentielle par rapport à une présentation simultanée, avant et pendant la pratique du dépannage de circuits électriques défectueux. Les chercheurs ont montré qu’une approche par étapes permettait une meilleure gestion des ressources de la mémoire de travail et facilitait l’apprentissage.
Un troisième exemple est celui de Alam et Zaman (2011) qui ont comparé pour des élèves du secondaire en mathématiques (13-15 ans) :
- Un enseignement soutenu par des devoirs préalables à la leçon utilisant une approche par étapes
- Un format d’enseignement traditionnel.
Les chercheurs ont constaté que l’approche préalable à la leçon améliorait la compréhension des mathématiques par les élèves. La réduction de la demande de la mémoire de travail par le biais des devoirs préalables à la leçon favorise la compréhension.
Un quatrième exemple est celui de Van Zundert et ses collègues (2012), qui ont étudié l’enseignement de l’évaluation par les pairs lors de l’exécution de tâches complexes. Cette approche peut entraîner une charge cognitive élevée, ce qui nuit à l’apprentissage.
Une stratégie d’enseignement par étapes visant à réduire la charge cognitive a été étudiée en la comparant à une stratégie d’enseignement combinée.
La démarche a eu lieu dans le cadre d’une expérience menée auprès de 128 élèves de l’enseignement secondaire (âge moyen : 14,0 ans ; 45,2 % de garçons).
Les résultats suggèrent que, pour les tâches d’étude complexes, il pourrait être bénéfique d’enseigner les compétences spécifiques au domaine avant les compétences d’évaluation par les pairs.
Lorsque les compétences d’évaluation par les pairs sont superposées aux compétences spécifiques au domaine, elles souffrent davantage lorsqu’une charge cognitive plus élevée est induite par une complexité accrue de la tâche.
En conclusion, les questions du séquençage et de la segmentation demandent à la fois une bonne compréhension du système cognitif humain et de la manière dont se construisent les connaissances et les compétences dans un domaine spécifique de savoir.
Impact du format de présentation de l’information
Nous pouvons nous intéresser à la manière dont le format et la présentation des informations affectent la charge cognitive.
Cette dimension concerne très directement la théorie cognitive de l’apprentissage multimédia et la théorie du double codage.
Il y a une double idée là derrière :
- Réduire la charge superflue dans les présentations multimédias et autres supports d’enseignement.
- Présenter l’information conformément aux principes énoncés dans le cadre de ces théories.
La prévalence des instructions orales sur les instructions écrites
Liu et Chang (2011) ont examiné comment le format des instructions verbales dans les simulations informatiques affectait le niveau de charge cognitive et les résultats d’élèves (13-14 ans) dans un environnement d’apprentissage multimédia. Le format des instructions a eu un impact sur la performance des élèves et le niveau de charge cognitive.
Les élèves qui utilisaient des simulations narratives avaient une charge cognitive plus élevée, mais obtenaient également de meilleurs résultats que ceux qui utilisaient des simulations avec des instructions textuelles à l’écran. Les instructions narratives étaient plus susceptibles que les informations textuelles à l’écran de réduire la charge cognitive extrinsèque et de favoriser la compréhension du contenu. Ces résultats incitent à privilégier les instructions verbales par rapport aux instructions écrites.
L’importance d’une signalisation en couleur pour l’apprentissage dans un cours de physique
L’apprentissage de l’analyse des circuits électriques représentés par des schémas de circuits est souvent difficile pour les étudiants novices. Reisslein et ses collègues (2014) sont mis en évidence l’effet positif de la signalisation par un changement de couleur des symboles mathématiques lors de l’enseignement des circuits électriques à des étudiants novices.
L’étude a comparé deux groupes d’élèves du secondaire qui suivaient leur premier cours d’introduction à l’analyse des circuits électriques. Un groupe a appris avec des variables de circuit en caractères noirs.
L’autre groupe a appris avec des variables de circuit colorées, la police bleue indiquant les variables liées à la tension, la police rouge celles liées à l’intensité courant et la police noire celles liées à la résistance. Le groupe utilisant des couleurs a obtenu des résultats significativement plus élevés au post-test, a donné des notes plus élevées pour avoir aimé l’instruction et l’avoir trouvée utile. Il a obtenu des notes plus faibles pour la charge cognitive que le groupe utilisant des caractères noirs. Ces résultats indiquent que le codage couleur des notations des quantités dans les schémas de circuits électriques facilite l’apprentissage de l’analyse des circuits par les étudiants novices.
Mis à jour le 29/10/2023
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