Théorie de la charge cognitive, psychologie évolutionniste de l’éducation et théorie de la charge de l'attention et du contrôle cognitif

Une introduction brève de trois théories en psychologie ayant des implications pour l’éducation.

(Photographie : Dillon Jenkins)

Une vue générale de la théorie de la charge cognitive

La théorie de la charge cognitive a pour ambition de soutenir le développement des procédures d’enseignement efficaces. Elle est fonde un cadre recherche s'appuyant sur une combinaison entre la psychologie de l’évolution et de l’architecture cognitive humaine.

Depuis ses débuts à la fin des années 1980, une solide base de recherches constituée autout de la théorie de la charge cognitive, fournissant un appui théorique et empirique plus particulièrement à l'enseignement explicite.

De manière générale, les recherches liées à la théorie de la charge cognitive démontrent que les techniques d’enseignement sont plus efficaces lorsqu’elles sont conçues pour s’adapter à la façon dont le cerveau humain apprend.

Une prémisse de la théorie de la charge cognitive est qu’un guidage explicite et une rétroaction de la part de l’enseignant sont plus efficaces pour enseigner aux élèves de nouveaux contenus et de nouvelles compétences complexes. 

Laisser les élèves découvrir de nouveaux contenus par eux-mêmes avec des indices minimes sera moins efficace. Cependant au fur et a mesure que l'élève acquiert ces connaissances, l'étayage fournit par l'enseignant peut être progressivement retiré car sinon il peut s'avérer contreproductif. 

Se fondant sr les limitations de la mémoire de travail, la théorie de la charge explicite plaide pour un enseignement qui procède du simple vers le complexe. 

L'approche très technique de la théorie de la charge cognitive pourrait laisser supposer rapidement qu'elle modélise l’esprit humain comme un ordinateur.  En réalité par ses racines au coeur de la psychologie évolutionniste de l'éducation, la théorie de la charge cognitive modélise l'esprit humain comme un système naturel de traitement de l’information. 

Un trait distinctif du modèle de mémoire de travail proposé dans la théorie de la charge cognitive est l’absence de tout exécutif central, ces fonctions étant prises par des schémas dans la mémoire à long terme. De ce fait, la théorie de la charge cognitive échappe au champ des neurosciences. Elle viser essentiellement par le biais de ses principes à donner des conseils facilement applicables dans un contexte d'enseignement pour soutenir l'apprentissage.

Des conseils pour enseigner, fondés sur la théorie de la charge cognitive

Voici une liste de conseils basés sur la théorie de la charge cognitive, librement adaptés d’

André Tricot (2020).

Élèves en difficulté ou novices pour l’apprentissage visé	Élèves plus avancés ou experts pour l’apprentissage visé
Dimension de la charge cognitive
1. Diminuer la charge cognitive liée à l’enseignement et ainsi libérer des ressources pour apprendre	1. Augmenter la charge cognitive liée à l’enseignement, car ces élèves disposent de plus de ressources
2. Si l’information à présenter est complexe (beaucoup d’éléments et de relations), alors la présenter progressivement, partie par partie	2. Présenter le tout d’emblée plutôt que par parties, pour que l’élève puisse apprendre les relations entre les sections
3. Ne pas présenter d’information transitoire continue (oral, vidéo) ; présenter plutôt des informations statiques, faire des pauses aux moments opportuns, et guider l’attention vers les parties pertinentes	3. Présenter de l’information transitoire continue (oral, vidéo)
4. Mettre en exergue ce qui est important, solliciter les liens entre les parties d’un tout	4. Ne pas tout expliquer : engager les élèves dans des activités de production d’inférences, d’hypothèses, de conjectures

Élèves en difficulté ou novices pour l’apprentissage visé	Élèves plus avancés ou experts pour l’apprentissage visé
Dimension de la  conception pédagogique
1. Intégrer physiquement les informations que l’élève devra mettre en relation mentalement pour rendre cette information intelligible	1. Éviter la redondance : ne pas répéter inutilement ce qui peut être présenté une seule fois d’une seule manière
2. Éliminer toutes les informations inutiles ou décoratives, c’est-à-dire réduire la charge extrinsèque	2. Éliminer toutes les informations évidentes. Éviter de réexpliquer ce que l’élève maîtrise déjà de manière à éviter un effet d’inversion de l’expertise
3. Présenter les sources d’information que l’élève devra mettre en relation dans des modalités différentes (auditive et visuelle)	3. Proposer des contextes authentiques et complexes qui amènent l’élève à gérer une approche multitâche
4. Ne pas trop spécifier le but du problème, indiquer plutôt à l’élève qu’il doit atteindre tous les buts qu’il peut atteindre, faire tout ce qu’il sait faire	4. Spécifier le but d’un problème avec des questions ciblées et précises.

Élèves en difficulté ou novices pour l’apprentissage visé	Élèves plus avancés ou experts pour l’apprentissage visé
Dimension de l’enseignement adaptatif
1. Varier les exemples, avec parcimonie en début d’apprentissage	1. Présenter l’information avec beaucoup de variabilité pour que l’élève puisse apprendre quelles variables sont pertinentes et lesquelles ne le sont pas
2. Donner à l’élève le problème résolu et lui demander d’étudier la solution	2. Donner un problème complet à résoudre sans problème résolu en parallèle
3. Alterner les problèmes résolus et les problèmes à résoudre	3. Entremêler dans la pratique différents types de problèmes
4. Donner le problème avec une solution partielle à compléter	4. Proposer une grande variété de contextes

Élèves en difficulté ou novices pour l’apprentissage visé	Élèves plus avancés ou experts pour l’apprentissage visé
Dimension du transfert de responsabilité des apprentissages
1. Faire disparaître le guidage progressivement	1. D’emblée, ne pas guider et laisser l’élève explorer librement
2. Demander à l’élève de mémoriser les relations les plus importantes	2. Demander à l’élève de s’auto-expliquer les relations les plus importantes
3. Proposer du travail en groupe (selon un scénario précis) quand l’apprentissage n’est pas une fin en soi. Sinon, le travail peut être réalisé seul.	3. Si l’accès aux connaissances d’autrui est nécessaire, alors le travail en groupe est utile. Sinon, le travail individuel peut être mis en œuvre.
4. Faire des pauses pendant l’apprentissage, donner plus de temps, car l’effet d’épuisement de la mémoire de travail est probable	4. Ne pas faire de pause durant l’apprentissage, car l’effet d’épuisement de la mémoire de travail est peu probable

Trois ressources clés de l'architecture cognitive pour le traitement de l'information

L’architecture cognitive humaine fonctionne grâce à des ressources mentales présentant certaines limites. 

Elle joue sur trois registres qui reposent chacun sur une structure dédiée qui fonctionne en collaboration avec les deux autres : 

• La sélection de l’information pour l’attention
• Le traitement de l’information pour la mémoire de travail
• Le stockage de l’information pour la mémoire à long terme. 

Les humains utilisent leur attention dans un environnement (illimité), la mémoire de travail (limitée) et la mémoire à long terme (illimitée) pour penser.

L’attention

L’attention repose sur une sélection d’informations parmi l’étendue des données rendues disponibles grâce à la mémoire sensorielle. 

La mémoire sensorielle est le passage obligé de toute nouvelle information issue de notre environnement. L’environnement représente tout ce qui se trouve en dehors de notre esprit, c’est Internet, les livres, les magazines, les connaissances facilement partagées par les autres, et plus encore. L’environnement est une réserve externe d’informations illimitée. 

La mémoire sensorielle est considérée comme le point de départ du processus de traitement de l’information. Elle capture brièvement les informations sensorielles (visuelles, auditives, etc.) avant que certaines ne soient traitées par la mémoire de travail. Elle joue un rôle en tant que tampon temporaire, permettant une perception cohérente du monde. 

L’attention est une ressource cognitive cruciale, servant à filtrer et à sélectionner les stimuli sensoriels en provenance de l’environnement pour un traitement plus profond. Elle dirige l’activité mentale vers les informations pertinentes. L’attention constitue la première porte d’entrée du système cognitif. Elle permet de filtrer les stimuli sensoriels et de sélectionner les informations pertinentes pour les objectifs en cours. Elle joue un rôle déterminant dans l’allocation des ressources cognitives limitées (Posner & Petersen, 1990).

En tant que système à capacité limitée, particulièrement sensible à la surcharge informationnelle, à la distraction ou au multitâche. Être attentif est un prérequis pour que l’information passe de la mémoire sensorielle à la mémoire de travail et puisse être traitée. Les environnements d’apprentissage doivent donc minimiser les distractions sensorielles pour permettre aux élèves de traiter efficacement les informations.

La mémoire de travail

La mémoire de travail est le lieu de notre conscience, c’est là que le processus de pensée a lieu. Elle est définie comme le système cognitif temporaire qui permet de maintenir et manipuler activement les informations nécessaires à une tâche en cours. 

Sa capacité typique est de 4 ± 1 unités d’information (Cowan, 2001) et elle constitue un goulet d’étranglement majeur dans l’apprentissage. La mémoire de travail est essentielle à des tâches comme le raisonnement, la compréhension et la résolution de problèmes. Barrouillet et Camos (2022) ont montré que la capacité de la mémoire de travail n’est pas seulement limitée par le nombre d’éléments, mais également par le temps de traitement de ces informations.

Cette capacité restreinte limite les possibilités de traitement simultané. La capacité de la mémoire de travail est un prédicteur clé de la réussite scolaire et d’un traitement cognitif complexe (Gathercole & Alloway, 2008).

Il nous arrive de nous sentir confus. Nous pouvons avoir l’impression que notre tête va exploser à cause d’un trop plein d’idées ou de pensées. Nous pouvons avoir du mal à suivre ce que nous lisons ou à comprendre ce que quelqu’un nous explique. La raison est que dans ces conditions, la capacité limitée de notre mémoire de travail est surchargée. 

Les limites de la mémoire de travail sont au cœur de la théorie de la charge cognitive. Le concept de charge cognitive représente tout ce qui occupe la capacité de la mémoire de travail. Nous parlons de surcharge lorsque la capacité de la mémoire de travail est dépassée. L’apprentissage est alors fortement entravé.

La mémoire à long terme

La mémoire à long terme est l’endroit où tous nos souvenirs sont conservés. La mémoire à long terme stocke les connaissances déclaratives (faits, concepts), procédurales (savoir-faire), et conditionnelles (quand et comment les utiliser). Au niveau des connaissances déclaratives, nous pouvons distinguer les souvenirs d’événements de la vie (connaissances épisodiques), les informations factuelles telles que les noms de pays (connaissances sémantiques).

Contrairement à la mémoire de travail, la mémoire à long terme est pratiquement illimitée en capacité. Toutefois, la récupération de l’information dépend de l’organisation des connaissances et de leur accessibilité (Anderson, 1983). Mémoriser peut prendre du temps et ce processus est sensible à l’oubli. Certaines connaissances apprises peuvent devenir très difficilement récupérables.

Le rôle de la mémoire à long terme est renforcé par l’organisation des connaissances au sein de schémas qui permettent de compresser l’information et de faciliter son traitement. Un apprentissage efficace se traduit en la construction et en l’automatisation de schémas en mémoire à long terme qui permettent de réduire la charge cognitive pour la mémoire de travail (Kirschner, P. A. & Hendrick, C.,2020). En effet, lorsque des informations sont présentes et accessibles dans les schémas en mémoire à long terme, elles ne dépendent plus des ressources limitées de la mémoire de travail, ce qui accroit les capacités de cette dernière.

Les novices surchargent rapidement leur mémoire de travail, tandis que les experts mobilisent automatiquement leurs connaissances structurées. Les experts mobilisent leur mémoire à long terme de manière plus fluide grâce à l’automatisation.

La construction de schémas bien organisés et facilement accessibles dans la mémoire à long terme est l’objectif ultime de l’enseignement. Les stratégies pédagogiques qui favorisent la consolidation et la récupération de l’information sont jugées essentielles. 

Des pratiques comme la répétition espacée ou le rappel actif — associées dans le cadre d’une récupération espacée — sont des exemples de stratégies fondées sur la science cognitive. Elles renforcent les traces mémorielles et la connexion entre la mémoire de travail et la mémoire à long terme.

La distinction entre connaissances biologiques primaires et secondaire issue de la psychologie évolutionniste de l’éducation

La théorie de la charge cognitive concerne l’acquisition de connaissances secondaires, selon le modèle de David C. Geary. De ce fait, la théorie de la charge cognitive s’appuie sur le processus d’évolution.

Comme l’écrit André Tricot (2017), les apprentissages scolaires obéissent à des contraintes spécifiques, qui les rendent très différents des autres apprentissages. On peut qualifier ces autres apprentissages comme adaptatifs.

Selon cette approche, les humains apprennent de manière très différente selon que les connaissances biologiques apprises sont :

• Primaires : elles sont présentes chez Homo Sapiens depuis les débuts de l’espèce (par exemple la reconnaissance des visages, la parole)
• Secondaires : elles sont apparues récemment chez Homo Sapiens (par exemple les mathématiques ou la langue écrite).

Théorie de la charge de l’attention et du contrôle cognitif

À côté de la théorie de la charge cognitive, une seconde existe, la théorie de la charge de l’attention et du contrôle cognitif de Nilli Lavie (et coll., 2014). Cette dernière reste moins centrée sur la mémoire de travail et s’intéresse de manière très directe à l’attention. Elle distingue entre deux types de charges :

• Une charge perceptive qui décrit le traitement ascendant des sensations aboutissant à des perceptions.
• Une charge cognitive qui s’intéresse à la mémoire de travail.

Cette théorie s’intéresse à la divergence de nos performances, en relation avec notre d’attention : 

• Dans certaines circonstances, nous sommes capables d’être très sélectifs.
• Dans d’autres circonstances, nous pouvons faire preuve d’un niveau élevé de distraction.

La théorie de la charge de l’attention et du contrôle cognitif s’intéresse à la mesure dans laquelle les gens peuvent concentrer leur attention face à des distractions non pertinentes. Cela dépend du niveau et du type de charge d’information impliqués dans leur tâche actuelle. 

La mesure dans laquelle l’information visuelle non surveillée est perçue dépend de la charge perceptive de la tâche accomplie. L’augmentation du niveau de la charge perceptive dans la tâche diminue le traitement des stimuli sans rapport avec la tâche. 

Le contrôle cognitif joue également un rôle important : le chargement du contrôle exécutif entraîne une augmentation du traitement des stimuli non pertinents. 

Un attrait de cette théorie est qu’elle aide à démêler les impacts positifs ou négatifs de la charge sur l’apprentissage. La charge de travail est une variable importante pour comprendre le traitement des messages selon les différents niveaux d’attention. 

Par exemple, Wang & Duff (2016) ont montré que si l’augmentation de la charge perceptive diminue la mémorisation d’une publicité, une augmentation de la charge cognitive par contre peut augmenter son apprentissage. 

Mis à jour le 03/03/2024

Bibliographie

Lavie, Nilli & Hirst, Aleksandra & W de Fockert, Jan & Viding, Essi. (2004). Load Theory of Selective Attention and Cognitive Control. Journal of experimental psychology. General. 133. 339-54. 10.1037/0096-3445.133.3.339. 

Zongyuan Wang & Brittany R. L. Duff (2016): All Loads Are Not Equal: Distinct Influences of Perceptual Load and Cognitive Load on Peripheral Ad Processing, Media Psychology, DOI: 10.1080/15213269.2015.1108204

André Tricot. Les contraintes spécifiques des apprentissages scolaires. Psychologie et Éducation, AFPEN, 2017. hal-01628833

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

Oliver Lovell, Sweller’s Cognitive Load Theory in Action, John Catt, 2020

Posner, M. I., & Petersen, S. E. (1990). The attention system of the human brain. Annual Review of Neuroscience, 13(1), 25–42.

Gathercole, S. E., & Alloway, T. P. (2008). Working Memory and Learning: A Practical Guide for Teachers. Sage.

Barrouillet P, Camos V., La mémoire de travail, Mardaga, 2022

Cowan, N. (2001). The magical number 4 in short-term memory: A reconsideration of mental storage capacity. Behavioral and Brain Sciences, 24(1), 87–114.

Anderson, J. R. (1983). The Architecture of Cognition. Harvard University Press.

Kirschner, P. A. and Hendrick, C. (2020) How Learning Happens: Seminal Works in Educational Psychology and What They Mean in Practice, Routledge.